Даже самые простые сети нейронов в головном мозге состоят из миллионов соединений, и изучение этих огромных сетей имеет решающее значение для понимания того, как работает мозг. Ученые уже давно пытаются изучить микроскопические процессы, стоящие за теми или иными реакциями мозга на внешние возбудители.
В последнем выпуске журнала Nature была опубликована статья, авторы которой сделали важный шаг к пониманию работы нейронных сетей. Международная группа ученых провела наиболее полное на сегодняшний день исследование сети нейронов коры головного мозга, в которой происходит активная обработка внешних сигналов-возбудителей. В результате было обнаружено несколько важных особенностей того, как организованы нейронные сети. По сути,
ученые создали первую в мире карту нейронов мозга, на которой совмещена информация об электрической мозговой активности и схема физического соединения нейронов между собой.
До сих пор на протяжении десятилетий ученые исследовали эти области по отдельности, будучи не в состоянии связать их между собой.
Так, совсем недавно было опубликовано исследование, авторы которого при помощи метода магнитно-резонансной томографии построили карту нейронных связей в головном мозге человека и выяснили, как образ жизни влияет на количество этих связей. Тем не менее в этой работе была отражена лишь физическая сущность нейронных связей.
В текущей работе ученые исследовали зрительную кору мозга мыши. Сначала они определили, какие нейроны откликаются на определенные зрительные стимулы, например на вертикальные или горизонтальные полосы на экране. Затем были получены детальные изображения срезов головного мозга с миллионами интересующих нейронов и синапсов — контактов между нейронами — или получающими нейронный сигнал клетками другого типа. В дальнейшем по этим плоским изображениям была построена трехмерная карта нейронных сетей мозга.
По словам ученых, уникальность их исследования состоит в том, что в своей работе они совместили методы оптической томографии и электронной микроскопии. До сегодняшнего дня макроскопические методы изучения мозговой активности и микроскопические методы изучения нейронов и их синапсов, которые имеют размеры порядка нанометров, были не связаны между собой. Между тем очень важно понять, какие именно микроскопические механизмы стоят за процессами активности мозга.
«Мы получили микроскопические данные беспрецедентного масштаба и детализации, — говорит один из авторов работы, Р. Клэй Рид из Института наук о мозге Аллена (США).
— Сначала мы определяли, какую функцию выполняет конкретный нейрон, а затем смотрели, как он соединяется с похожими нейронами и с нейронами другого типа».
«Это исследование стало кульминацией исследовательской программы, которая началась почти десять лет назад, — добавляет Клэй Рид. — Мозговые сети слишком велики и сложны для понимания по частям, поэтому мы использовали методы высокой пропускной способности для сбора огромных массивов данных мозговой активности и взаимосвязей нейронов».
Анализируя полученные данные, ученые пришли к следующим выводам. Во-первых, они подтвердили гипотезу о том, что нейроны, отвечающие за один вид активности, чаще связаны друг с другом, чем нейроны, выполняющие разные функции. Во-вторых, соединения между такими нейронами прочнее, несмотря на то что они перепутаны со многими другими нейронами, которые выполняют совершенно разные функции.
«Мы обнаружили первые свидетельства наличия модульной архитектуры сети нейронов коры головного мозга и определили структурную основу функциональной связи между нейронами,
— говорит Вэй-Чжун Ли, ведущий автор работы. — Методы, которые мы использовали, позволили нам определить принципы организации нейронных сетей.
Несмотря на то что это исследование является знаковым моментом нашей работы, это только начало. Теперь у нас есть инструменты для того, чтобы создать более точную компьютерную модель мозга, зная связи между схемами соединений нейронов и сетевых вычислений». «Это как симфонический оркестр, музыканты которого сидят в случайном порядке, — добавляет Клэй Рид. — Если вы будете слышать только тех музыкантов, которые сидят рядом с вами, в этом не будет никакого смысла. А вот если вы услышите всех, вы поймете музыку — она даже станет проще».
Авторы работы уверены, что их достижение окажет огромную помощь всем ученым, которые занимаются исследованиями мозга и созданием искусственных нейронных сетей, — отдел науки «Газеты.Ru» уже рассказывал о том, как суперкомпьютер позволил ученым смоделировать работу тысяч нейронов. Однако для того, чтобы успешно симулировать работу мозга, необходимо лучше понять, как работают нейронные сети в реальных живых организмах.