Atsitiktinis triukšmas, pavyzdžiui, fonas Hubbubas ant telefono skambučio, paprastai laikomas nepageidaujamu trukdžiais. Dabar „Columbia Engineering“ tyrėjai nustato, kad smegenys gali panaudoti neišvengiamus atsitiktinius savo veiklos svyravimus, kad atliktų naudingus skaičiavimus, ypač atliekant užduotis, remiantis atmintimi.
Šios išvados ne tik pagilina mūsų supratimą apie tai, kaip veikia smegenys, bet ir gali pateikti protingesnių, atsparesnių technologijų kūrimo projektą, sako tyrimų komanda.
Jie išsamiai aprašė savo išvadas sausio 16 d Nacionalinės mokslų akademijos leidiniai.
Smegenų aktyvumas užpildytas atsitiktiniu, nenuspėjamu kintamumu. „Nepaisant to, smegenys pasižymi kognityviniais procesais, tokiais kaip atmintis ir sprendimų priėmimas“,-sako Nuttida Rugratsameetaweemana, Kolumbijos inžinerijos biomedicinos inžinerijos docentė ir pagrindinis projekto tyrėjas. „Kaip tai suvaldo? Ar triukšmas trukdo ar padeda?”
Kompiuterijos įžvalgos
Ankstesnis darbas su smegenimis imituojančiomis dirbtinio intelekto sistemomis, žinomomis kaip neuroniniai tinklai, rodo, kad atsitiktinių jų veiklos svyravimų švirkštimas iš tikrųjų galėtų pagerinti jų efektyvumą, kai jie išmoko atlikti užduotį. Tačiau šis išankstinis tyrimas buvo atliktas palyginti paprastuose nervų tinkluose, kvestionuojant, kiek šis poveikis iš tikrųjų gali atlikti tam tikrą vaidmenį realiame gyvenime.
Naujajame tyrime „Rugratsameetaweemana“ ir jos kolegos sukūrė biologiškai tikėtinus neuroninius tinklus, kuriuose buvo moduliai, kurie mėgdžiojo sužadinamuosius ir slopinančius neuronus, kurie atitinkamai padidina ir slopina bendrą aktyvumą smegenyse.
„Šis tyrimas rėmėsi daugybe sujungtų išteklių, kuriuos teikia Sistemų žvalgybos laboratorija, palaikoma Kolumbijos inžinerijos“,-sako ji. „Šios skaičiavimo galimybės leido mums precedento neturinčiai ištirti sudėtingą nervų dinamiką.”
Iškelti triukšmą
Kai tyrėjai treniruotės metu į šias sistemas įtraukė atsitiktinį triukšmą, mes sužinojome, kad atsitiktinis triukšmas, dažnai laikomas iššūkiu įveikti, iš tikrųjų gali būti būtinas, kaip smegenys atlieka kritinius skaičiavimus, tokius kaip atmintis “, – sako ji.
Konkrečiai, atrodo, kad triukšmas padidina laiko laiką, kurio reikia slopinantiems neuronų ryšiams su kitais neuronais, kad susilpnėtų. Šis lėtėjantis poveikis savo ruožtu stabilizuoja su prisiminimais susijusius neuroninius veiklos modelius, padeda jiems išlikti laikui bėgant.
„Jūsų smegenys neužblokuoja triukšmo – ji veikia su juo, integruodami atsitiktinumą, kad stabilizuotumėte atmintį“, – sako Rugratsameetaweemana. „Man šis projektas pabrėžia grožį sudėtingiau ir parodo, kaip net tai, kas atrodo atsitiktinė, turi reikšmingą vaidmenį gamtoje.”
„Priešingai nei tradicinis požiūris, kad atsitiktinis triukšmas smegenyse susilpnina atmintį, šis tyrimas atskleidžia, kad tokie svyravimai iš tikrųjų gali padidinti atminties stabilumą“, – sako Alexas Williamsas, Niujorko universiteto Neuroninio mokslo centro docentas ir skaičiavimo neuromokslų centras. Niujorko Flatirono institute, kuris nedalyvavo šiame tyrime.
„Šis tyrimas yra puikus pavyzdys, kaip skaičiavimo modeliai gali suteikti mums prieštaringų įžvalgų apie ilgalaikius mokslinius klausimus, tokius kaip:” Kaip mes daug metų ar net dešimtmečius kabiname prie prisiminimų Natūralios neuronų, tokių kaip atsitiktinumas, panaudojimas, kad padidintumėte atminties našumą? „
Kiti veiksmai
Šios naujos išvados gali padėti įkvėpti dirbtinio intelekto sistemų, kurios yra labiau pritaikomos ir geriau pritaikytos realaus pasaulio netikrumui, dizainui. Tai gali būti robotai, veikiantys dinaminėje aplinkoje, arba sveikatos priežiūros priemonės, kurios stebi subtilius, ilgalaikius pacientų duomenų pokyčius, sako „Rugratsameetaweemana“.
Be to, šis darbas gali padėti mokslininkams suprasti, kokį vaidmenį realaus pasaulio smegenų kintamumas gali atlikti žmogaus pažinimą tiek sveikoje, tiek ligose, tokiose kaip Alzheimerio liga, šizofrenija ir dėmesio deficito/hiperaktyvumo sutrikimas (ADHD), „RugratsameEtaweemana“.
Ji ir jos kolegos taip pat nori ištirti vaidmenį, kurį triukšmas gali atlikti kognityvinėse užduotyse už atminties, tokios kaip dėmesys, sprendimų priėmimas ar sudėtingų jutimo įvesties integravimas. „Šios funkcijos, panašios į atmintį, priklauso nuo smegenų gebėjimo stabilizuoti ir apdoroti informaciją, būdingu kintamumu“, – aiškina ji.
Be to, šie duomenys taip pat gali padėti pagerinti neurostimuliacijos ir neuromoduliacijos metodus, kurie naudoja kruopščiai kontroliuojamus signalus sąveikauti su smegenų veikla.
„Mes ypač džiaugiamės galėdami ištirti, kaip tokie signalai gali veikti harmoningai su natūraliu smegenų kintamumu, kad pagerintų specifinius skaičiavimus, pavyzdžiui, stiprina atmintį pacientams, sergantiems pažinimo sutrikimais“, – priduria ji.