Осуществлена прямая связь между мозгами двух людей
В одной лаборатории участнику исследования показывается изображение объекта. На «подопытного» надет специальный колпак, подключённый к электроэнцефалографу, который в свою очередь регистрирует колебания в мозгу. Другой участник исследования находится в другой лаборатории. Её задача — определить, какое изображение показали первому участнику. Её головы почти касается магнитная катушка. Она выбирает вопрос из списка для уточнения предмета.
Вопрос, который она задаёт, появляется перед первым участником. Слева и справа от него находятся два светодиода, светящиеся с разной частотой; один из них помечен «да», а второй — «нет». Участник исследования отвечает на вопрос, смотря на нужный светодиод. Чантел Прат, психолог Вашингтонского университета и один из авторов исследования, говорит, что компьютер может определить, на какой свет смотрит человек, поскольку разная частота вызывает разные паттерны в мозгу.
Компьютерный алгоритм по интернету передаёт свою интерпретацию мозговых паттернов в соседнюю лабораторию. Если ответ «да», магнитная катушка выпускает импульс, который стимулирует кору головного мозга второго участника. Стимуляция запускает фосфен, который может выглядеть как вспышка света, пузырь, размытие или волнистая линия. Если ответ «нет», импульс не выпускается и фосфен не выпускается. Задающий вопрос таким образом получает ответ и переходит к следующему вопросу. Это игра в «20 вопросов», сыгранная напрямую между двумя мозгами.
В рамках исследования его участники смогли в 72% случаев угадать загадываемый объект. Чтобы исключить возможность обмана, исследователи также провели контрольные игры, где участники были уверены, что общаются между собой, хотя никакие данные не отправлялись. В этих условиях было отгадано лишь 18% объектов.
Этот эксперимент стал большим шагом вперёд. Только подумайте: задающий вопрос сознательно получает информацию из мозга другого человека и принимает решение, основываясь на ней. Это настоящее общение.
Следующим шагом для команды Чантел Прат станет исследование возможных сфер применения этой технологии. Среди них — «связывание» мозгов студентов с хорошей успеваемостью с мозгами отстающих студентов. Исследователи хотят понять, можно ли улучшить успеваемость студентов таким образом.
«Мы надеемся провести этот эксперимент в ближайшие полгода», — сказала Прат.
Американские ученые обнаружили новые нейронные связи между желудком и мозгом
Взаимодействие мозга и желудка давно занимает гастроэнтерологов, которые регулярно советуют своим пациентам меньше нервничать. Однако большинство исследований последних лет были посвящены тому, как продукты и сопровождающие их на всем пути пищеварения микроорганизмы влияют на психологическое состояние человека. Обратная дорога «из головы в живот» до недавнего времени интересовала ученых гораздо меньше.
Между тем рак желудка занимает второе место в рейтинге смертности от онкологических заболеваний. Число пациентов, страдающих от язв, с каждым годом растет. В США это каждый десятый, в России цифры похожие: язвы наблюдаются у 7-10% населения. Врачи предполагают, что среди носителей бактерии Helicobacter pilori, вызывающей заболевание, примерно половина жителей Земли.
Уникальность этого микроорганизма в том, что он способен выжить в кислой среде желудка, однако никакой пользы его наличие человеку не приносит. Вначале бактерия может повредить слизистую, защитную оболочку желудка, и тем самым вызвать гастрит. На следующем этапе — пробраться дальше. Тогда пациенту приходится лечить язву, а иногда и рак. При этом в большинстве случаев Helicobacter ведет себя довольно спокойно и никак о себе не заявляет. До недавнего времени ученые не понимали, какие факторы влияют на ее поведение и из-за чего она вдруг начинает вести себя агрессивно.
Считалось, что развитие заболеваний ЖКТ зависит от иммунитета. Среди других причин врачи выделяли стресс. В частности, некоторые исследователи называли верными спутниками язвенных колитов депрессию и тревожность. Однако проследить все этапы взаимодействия между головой и желудком ученым так и не удавалось. И вот наконец специалисты Института мозга Питтсбургского университета Питер Стрик и Дэвид Левинталь обнаружили нейронные пути, которые соединяют мозг с желудком.
На исследование их вдохновили опыты российского академика Ивана Павлова. Как известно, подопытные собаки Павлова после определенных тренировок могли вырабатывать желудочный сок при виде зажженной лампочки или поступлении звукового сигнала.
Стрик и Левинталь пришли к выводу, что если центральная нервная система использует сигналы окружающей среды и прошлый опыт, чтобы генерировать реакции, которые способствуют эффективному пищеварению, то можно запустить этот механизм в обратную сторону и понять, что мешает организму спокойно перерабатывать пищу.
Для того чтобы найти области мозга, которые контролируют ЖКТ, исследователи использовали штамм вируса бешенства, который они ввели в желудок крысы. Ученые обнаружили, что пути парасимпатической нервной системы ведут из желудка в островковую долю мозга. Она отвечает за моторику не только рук и ног, но и желудка, а также за эмоции и принимает участие в психопатологических процессах.
«Желудок отправляет сенсорную информацию в мозг. Тот перерабатывает ее и отвечает инструкциями, которые отправляются обратно в ЖКТ, — объясняет профессор Стрик. — Это означает, что процессы в области живота формируются не только за счет сигналов, поступающих из желудочно-кишечного тракта, но и за счет внешних воздействий на островковую долю мозга».
В то же время в состоянии стресса, когда организм мобилизуется под воздействием угрозы, информация по путям центральной нервной системы передается в желудок и оттуда возвращается обратно в мозг, но уже в другой отдел, первичную моторную кору. Этот участок контролирует скелет и мышцы, которые двигают тело.
Открытие нервных путей, которые соединяют мозг и желудок, может дать новое понимание общих расстройств ЖКТ. Например, бактерия Helicobacter pylori обычно вызывает образование язвы, но сигналы из мозга могут влиять на рост микроорганизмов. Получается, что мозг способен регулировать выработку желудочного сока, создавая более или менее благоприятную среду для размножения опасной бактерии. Это же может касаться синдрома раздраженного кишечника, который нередко сопровождают нервные расстройства, стрессы и депрессии. Пока что неизвестно, какое из заболеваний провоцирует развитие другого. Левинталь и Стрик надеются, что их открытие поможет разработать новые методы лечения заболеваний ЖКТ.
Компании BrainGate удалось установить широкополосную беспроводную связь между мозгом человека и компьютером
Похоже, человечество делает успехи не только в плане освоения космоса. Люди с каждым годом все больше узнают о самих себе, используя это знание в разного рода практических проектах. Один из них — подключение мозга к вычислительным системам.
Всего через несколько месяцев после того, как Илон Маск продемонстрировал рабочий прототип чипа Neuralink, имплантированный сначала в мозг свиньи, а затем — обезьяны, компания BrainGate смогла достичь еще большего. Ученым и инженерам удалось установить беспроводную связь между человеческим мозгом и машиной. В эксперименте согласились принять участие два добровольца — парализованные из-за повреждений спинного мозга мужчины 35 и 63 лет.
Эксперимент доказывает возможность восстановления мобильности у парализованных пациентов — хотя бы за счет использования роботизированных и бионических протезов. Конечно, все это будет разработано лишь через несколько лет, но, в любом случае, надежда уже далеко не призрачная.
В целом, даже несколько лет назад беспроводную связь между мозгом человека и компьютером считали уделом исключительно научной фантастики. Но за короткое время сразу несколько компаний и научно-исследовательских организаций смогли добиться впечатляющих успехов.
Что предлагает BrainGate?
Компания разработала электродную матрицу, которая имплантируется в моторную кору головного мозга. Конечно, для этого требуется инвазивное вмешательство — пока без этого никак. Нейроны моторной коры действуют нормально, ведь они, в отличие от спинного мозга, не повреждены. Просто сигнал из головного мозга не поступает дальше места повреждения спинного мозга.
А значит, сигналы нейронов моторной коры можно принять, расшифровать и передать компьютеру, который их декодирует. Далее компьютер отправляет уже понятную команду манипулятору. В общем-то сигнал можно передать на любое внешнее устройство. А значит, человек, к мозгу которого подключен чип, сможет управлять любым совместимым с нейроинтерфейсом устройством — хоть кофеваркой, хоть протезом.
По словам ученых, сигналы фиксируются системой без проблем, передача тоже отлажена. Поэтому информацию с датчиков, соединенных с имплантированным чипом, можно передавать любым способом: как по проводам, так и без них. Последний способ во многих случаях гораздо удобнее, поскольку не требует физического подключения пациента к оборудованию.
Провода неудобны хотя бы тем, что пациент может управлять чем-то лишь в пределах помещения, где размещена система, к которой он подключен. Кроме того, постоянно нужен надзор, чтобы отключать провода после проведения тестов. В общем, особо функциональной проводная система быть не может. Легко представить, как кресло пациента наезжает на случайно упавший провод, лежащий на полу.
У беспроводной системы в этом случае одни преимущества. Пациенты могли использовать имплант круглые сутки (батареи хватает на 36 часов работы нейроинтерфейса). Данные передавались даже во время сна добровольцев.
Аналоги есть, но у чипа BrainGate высокая пропускная способность
Действительно, если даже не вспоминать о проводных системах подобного типа, есть и беспроводные аналоги. Но практически у всех очень низкая пропускная способность.
Пример — система Utrecht NeuroProsthesis. Здесь тоже чип, который имплантируется в мозг. Электроды выводятся через миниатюрное отверстие в черепе человека и подключаются к приемопередатчику. Тот усиливает сигнал и передает его на декодер, подключенный к компьютеру. Декодер служит в качестве системы связи между компьютером, которым управляет пациент, и человеком.
Проблемой этой системы является ее крайне малая пропускная способность. Она способна декодировать лишь сигнал вроде «да» и «нет» и больше ничего. Понятно, что для управления роборукой или, тем более, экзоскелетом Utrecht NeuroProsthesis не подходит. «Это двухпозиционный переключатель, его нельзя использовать для нормального управления ПК. Так что идея импланта, который передает абсолютно все сигналы моторной коры, — это отличная возможность достичь прогресса в области нейроинтерфейсов», — заявил создатель NeuroProsthesis.
«Мы продемонстрировали результаты тестирования системы, доказав, что наш проект эквивалентен проводным технологиям, которые долгое время были золотым стандартом производительности BCI», — отметил представитель BrainGate.
Neuralink, обезьяна и Pong
Похожая система есть и у Neuralink, причем, как можно заметить на фото, никаких электродов на голове у обезьянки, в мозг которой вживлен чип нейроинтерфейса, нет. Благодаря чипу N1 Link с 1024 электродами девятилетняя макака смогла перемещать объекты на мониторе при помощи курсора. Сначала с подключенным к манипулятору кабелем, а затем — без него. Наверное, если бы обезьяна понимала, что без кабеля манипулятор бесполезен, то у нее ничего бы не получилось. А так — игра в Pong пошла не хуже, чем при подключенном кабеле.
Маск утверждает, что такая система позволит парализованному человеку набирать текст на экране компьютера гораздо быстрее, чем это делает здоровый пользователь пальцами. В перспективе Маск надеется на появление бионических систем, которыми можно будет управлять силой мысли. Теоретически, они помогут парализованным пациентам снова ходить. Ну или перемещаться каким-то иным образом.
Главный вывод из всего этого: научная фантастика уже давно стала реальностью. То, что рано или поздно ученые создадут системы для восстановления опорно-двигательных функций парализованных хотя бы частично людей, сомнений нет. Когда они будут созданы — другой вопрос.
Перепрошить мозг: что такое нейроинтерфейсы и на что они способны
Что такое нейроинтерфейс
Нейроинтерфейс (или интерфейс «мозг — компьютер») — это устройство и технология для обмена информацией между мозгом и внешним устройством: компьютером, смартфоном, экзоскелетом или протезом, бытовыми приборами, инвалидной коляской или искусственными органами чувств. Самый распространенный пример — прибор для электроэнцефалограммы (ЭЭГ), который используют в медицине с 1970-х годов.
История создания нейроинтерфейсов
Первым прототипом нейроинтерфейса считается электродное устройство Stimoceiver, изобретенное в 1950-х годах. Его испытали на мозге быка, заставив животное изменить направление движения.
В 1972-м ученые выпустили первый нейропротез для глухих — кохлеарный имплант, которым, по данным за 2019 год, пользуются более 700 тыс. человек в мире.
В 1998 году американский невролог Филипп Кеннеди впервые вживил нейроинтерфейс в мозг Джонни Рея, художника и музыканта, который был полностью парализован из-за травмы ствола головного мозга. Он управлял курсором на мониторе, представляя движения рук.
В 2000 году группа во главе с бразильским ученым Мигелем Николелесом создала нейроинтерфейс, который позволял обезьяне управлять джойстиком при помощи мысли. В 2021-м этот опыт повторили в Neuralink, но уже с инвазивным нейроинтерфейсом. В 2004-м появился электронный нейрочип от Cyberkinetics Inc., который вживили парализованному американцу Мэтью Бейглу, чтобы он мог управлять роборукой с помощью мозга.
В последние годы главные прорывы происходят в области нейропротезирования. В 2015 году калифорнийские исследователи разработали нейроинтерфейс, который позволяет ходить людям, парализованным по пояс. В 2016-м ученые из Германии, Швейцарии и США с помощью нейроинтерфейса смогли частично восстановить поврежденный спинной мозг пациента. В том же году британец Нил Харбиссон, от рождения не различающий цвета, разработал специальную камеру, которая преобразовывает цвет в звуки и посылает их во внутреннее ухо. А в 2021-м группа исследователей из Калифорнии создала нейропротез, который помогает улучшить память на 30%.
Типы нейроинтерфейсов
По типу взаимодействия нейроинтерфейсы бывают однонаправленные и двунаправленные. Первые либо принимают сигналы от мозга, либо посылают их ему. Вторые могут и посылать, и принимать сигналы одновременно. Однонаправленные уже существуют и функционируют, тогда как двунаправленные пока что представлены только в виде концепции.
По расположению различают инвазивные, малоинвазивные и неинвазивные нейроинтерфейсы. Первые вживляют в мозг, вторые располагают на поверхности мозга, а треть — на голове. Чем ближе к мозгу расположены электроды нейроинтерфейсов, тем лучше они передают сигнал.
С точки зрения функций выделяют нейроинтерфейсы для управления чем-либо с помощью мозга или для восстановления/дополнения его функций. Последнее актуально при поражениях мозга при рассеянном склерозе, деменции, болезни Альцгеймера или Паркинсона.
Как работают нейроинтерфейсы
Однонаправленные нейроинтерфейсы — или интерфейсы «мозг-компьютер» — регистрируют электроэнцефалограмму — то есть электрическую активность мозга. Образуя нейронные связи и передавая сигналы между нейронами, наш мозг излучает электрические импульсы. Эту ЭЭГ расшифровывает компьютер и преобразует в команды для системы или внешних устройств.
Инвазивные нейроинтерфейсы в виде маленьких пластинок с электродами вживляют в кору головного мозга. Неинвазивные размещают на голове в виде шлема или отдельных электродов. Для улучшения проводимости их иногда смачивают водой или специальным гелем.
Чтобы расшифровать импульсы мозга, ученые используют алгоритм, который сам вычленяет нужные сигналы или дает готовые параметры, которые система ищет в потоке данных. В первом случае интерфейс с большей вероятностью сможет предсказать, о каком движении думает человек. Во втором случае для точного результата нам нужно хорошо понимать, как именно то или иное намерение проявляется в сигнале мозга. К сожалению, пока что этот вопрос не до конца изучен.
В нейроинтерфейсах с двусторонней связью информация в виде данных о работе мозга, звуков, образов, тактильных ощущений передается в компьютер, затем анализируется и передается в мозг — при помощи стимуляции клеток центральной и периферической нервной системы.
Где применяются нейроинтерфейсы
Сегодня главных сфер применения всего две:
Сейчас ведется множество разработок, которые расширят сферу применения и возможности нейроинтерфейсов. Например, не так давно был создан биосинтетический материал, который можно будет использовать в качестве нейрочипа, который подключает мозг к искусственному интеллекту.
Кто создает нейроинтерфейсы в мире
Пока что на рынке преобладают неинвазивные устройства. Большинство из них представляют собой мобильные ЭЭГ-гарнитуры или шлемы с разным числом электродов набором функций.
Emotiv Systems в 2009 году разработала Emotiv EPOC — нейроинтерфейс в виде шлема с 14 электродами, регистрирующий 13 частот мозга, сокращения мышц и движения головы с помощью двух гироскопов. Он распознает эмоциональное состояние и уровень стресса, помогая создавать 3D-модели мозга и диагностировать психические расстройства.
NeuroSky выпускает мобильные ЭЭГ-гарнитуры MindWave для анализа активности мозга. Ее используют, чтобы играть в игры или управлять героями интерактивных фильмов. Чуть позже появились наушники MindSet, для тех же целей.
Канадская InteraXon одной из первых в 2014 году вышла на рынок с Muse — мобильной ЭЭГ-гарнитурой с четыремя электродами, которые взаимодействуют со смартфоном или компьютером. Гарнитура помогает улучшить концентрацию и медитировать, преобразуя сигналы мозга в звуки.
Международные корпорации тоже разрабатывают свои нейроинтерфейсы. Например, Nissan внедряет подобные технологии для улучшения управляемости и безопасности автомобиля на дороге. Такой нейрошлем помогает лучше реагировать на изменение ситуации, предсказывая реакцию и действия водителя.
Facebook ведет разработки технологии, которая поможет пользователям публиковать посты и комментарии без помощи клавиатуры. В первую очередь, эта функция будет полезна парализованным людям: благодаря ей они смогут печатать со скоростью 100 слов в минуту, что в пять раз быстрее, чем набор на смартфоне. Нейроинтерфейс будет неинвазивным, а над разработкой системы его управления трудятся ведущие университеты и исследовательские лаборатории США. Они занимаются алгоритмами машинного обучения для распознавания и визуализации нейронных сигналов.
Среди инвазивных нейроинтерфейсов самый известный — нейрочип от Neuralink Илона Маска. Еще в 2016-м, когда стартовал проект, бизнесмен утверждал: «Все мы практически уже киборги».
Первую презентацию компания провела в августе 2020 года. На ней показали свиней с нейрочипами, чья мозговая активность отображалась на экране.
Реверс-инжиниринг мозга. Память
Мозг — мой давний сосед. Учитывая то, сколько времени мы провели, и сколько нам еще предстоит быть вместе, не интересоваться им — полнейшая бестактность.
Мозг записывает и обрабатывает информацию. Но как? Почему что-то хранится долго, а что-то забывается за пару дней? Как это связано с нейронами?
Можно ли, основываясь на информации из нейробиологии, построить модель мозга дающую похожее на реальный мозг поведение?
А что гадать? Давайте просто попробуем.
DISCLAIMER:
Здесь не будет полного объяснения того, как работает мозг. Это краткое описание основных принципов. Цель этой статьи — создать приблизительную модель. Иногда она не будет работать. Но это лучше, чем не иметь никакой модели.
Можно провести аналогию с формулой трения в физике. Она получена эмпирически, и не является совсем точной. Но она достаточно точна, чтобы делать оценки и использовать ее в рассчетах.
Все ссылки далее — для углубленного изучения. Они не понадобятся для прочтения статьи. И почти все — на английском. Рунет беден на актуальную информацию по интересующим нас вопросам.
С чего начать?
Давайте пока отложим модели памяти из психологии. Все описания вроде: «кратковременная — долговременная», «Working Memory», «теория уровней обработки», «магическое число 7+-2» сейчас нас только запутают. Пытаться с их помощью понять мозг — все равно что пытаться угадать устройство компьютера, смотря в монитор из под учетки с родительским контролем. Для нас они станут полезны только после того, как мы разберемся с основными принципами.
Мы пойдем снизу и начнем путь с нейронов.
Нейроны и связи
from: wiki
Существует много типов нейронов. Они отличаются по количеству дендритов, используемыми нейротрансмиттерами, и кучей других параметров, по которым их можно классифицировать. Мы не будем уходить в дебри имплементации. Давайте займемся основным — передачей сигналов.
Если очень грубо описывать процесс, то он выглядит так:
1. Есть заряженный нейрон, содержащий ионы. Когда его заряд перешел порог активации (мы накопили очень много заряженных частиц), ионы начинают двигаться по аксону.
from: wiki
2. Дойдя до конца аксона ионы попадают в синапс. В синапсе хранятся нейротрансмиттеры, и ионы выпускают их на свободу.
from: wiki
3. Внизу находится другой нейрон, у которого есть рецепторы. Они принимают выпущенные нейротрансмиттеры и открывают каналы для зарядки ионами следующего нейрона. Короче, нейротрансмиттер — это ключ. Попав в соответствующий замок-рецептор он открывает нейрон для зарядки.
Большинство интересных вещей, которые как либо влияют на работу мозга, например антидепрессанты — влияют именно на процесс обмена нейротрансмиттеров в синаптических связях.
Самые интересные и мощные штуки — структурные аналоги, которые умеют активировать соответствующий рецептор. В отличие от естественных собратьев, они не собираются покидать его быстро, и вызывают «короткое замыкание». Нейрон, в который попало такое вещество активируется даже при слабом воздействии на него.
Антидепрессанты — влияют на обратный захват нейромедиаторов. Например, СИОЗС — Селективный Ингибитор(Подавитель) Обратного Захвата Серотонина. Т.Е. они не втыкаются в рецептор напрямую, а делают так, что естественный нейромедиатор дольше уходит из области между синапсом и дендритом. Поэтому интересных ощущений от них меньше.
А различные вещи вызывающие тормоза — блокируют рецепторы, не давая их активировать, или уводят естественные нейромедиаторы из синаптической области.
И да, не играйтесь с серотонином! Серотониновый синдром — очень опасная штука.
Один нейрон может получать сигналы от нескольких, через дендриты. А один аксон может быть связан с несколькими нейронами.
А теперь давайте все это сожмем:
Это все очень познавательно, но, где здесь данные? Как хранить информацию в нейронах, как читать и как записывать?
Хранение и чтение
Для хранения и записи существует механизм, называемый синаптической пластичностью.
На пальцах его можно объяснить так: связи между нейронами имеют разную «силу». Чем сильнее связь, тем сильнее заряжается нейрон-ресивер при ее активации.
А теперь момент, который может быть немного сложен для понимания. Сила связей — это и есть наши данные. Вы видите этот текст — это активация нейронов в вашем мозге. «Узор активации», который он производит в нашей нейросети и есть то, что мы называем «вижу». А так же слышу, чувствую, представляю, вспоминаю и прочее. Все это — активация определенной последовательности нейронов.
Иными словами, если найти в зрительной коре мозга участок, который активируется, когда мы видим ложку, подвести туда провода и врубить ток — мозг увидит ложку, и никуда от этого не денется. «Вижу ложку» = активация нейронов в зрительной коре, за счет сигналов от фоторецепторов в глазу.
Добро пожаловать в реальный мир, Нео. Ложка существует, фоторецепторы существуют, нейроны существуют, и все попытки развидеть что-то мысленным усилием обречены на провал. Хотя, нет — глаза можно закрыть.
Какие конкретно участки мозга будут активироваться зависит от того, как пойдут сигналы по связям. Это определяется силой связей.
Дополним нашу картинку:
Информация в мозге хранится в виде связей разной силы между нейронами.
Чтение этой информации осуществляется с помощью активации нейронов. То, как будет выглядеть «узор активации» — зависит от связей и их силы.
Любой человек, занимавшийся дискретной математикой, узнает в этой картинке взвешенный орграф.
Ладно, а как изменить силу связей и записать данные?
Запись
Есть такая вещь, называется теория Хебба, или правило Хебба:
Нейроны которые вместе включаются — вместе соединяются. (Neurons that fire together — wire together).
На нижнем уровне это обеспечивается механизмом E-LTP (Early Long-Term Potentiation или LTP1).
Переформулировать можно так:
Если мы активировали один нейрон и за ним активировался следующий — связь станет сильнее.
За счет того, что мы можем активировать нейроны мозга извне, например с помощью зрения или слуха — мы можем записывать на них информацию. Они будут активироваться вместе, сила связи будет меняться. В следующий раз информацию можно будет достать, активировав начало «цепочки» из сильных связей.
Но все не так просто. Проблема в том, что мы склонны что-то забывать. А это значит, что связи не только усиливаются, но и ослабевают. И при этом деградация связей происходит неравномерно — какие-то из них истончаются быстрее, другие — держатся очень долго. Как иначе объяснить то, что я не помню экзамен по химии в 11 классе, но помню свой день рождения в этот же период?
Можно придумать хитрую систему из замкнутых контуров активаций, и получить постоянно поддерживающуюся связь. Но у реального мозга есть способ намного проще, он называется Late Long-Term Potentiation, или L-LTP.
Вместо того, чтобы заниматься поддержанием связей через постоянную активацию, мозг просто фиксирует ее текущее состояние.
Ладно, с «просто» я переборщил. Есть исследования говорящие в пользу того, что процесс запускается с помощью синтеза специальных белков. Есть другие исследования, которые утверждают, что подавление синтеза белков не влияет на L-LTP. Почитав об этом, я сделал вывод, что в гипотезе о фиксации состояния на долгий период — никто не сомневается. Но в деталях процесса разобраться не смог.
К счастью, в нашем простом мире из стрелочек и кружочков этих деталей нет. Пока мы просто запомним, что связи умеют сохранять состояние и не ослабевать со временем.
Summary
Давайте подведем промежуточные итоги нашей короткой экскурсии в мир нейробиологии:
Если вам показалось, что я слишком упростил:
Если вас интересует более точная модель нейрона, и список характерных отличий биологических нейронов, от их моделей в ИНС — посмотрите эту статью. В рамках этого поста я описал лишь то, что мне понадобится в дальнейшем.
На эту часть исследования ушло 4 месяца. Я читал статьи и прорывался через десятки непонятных мне терминов, сворачивал не в те области и натыкался на устаревшую информацию по моему вопросу.
Уровнем выше. Подсети и объекты
Мы получили модель процессов, происходящих в мозгу с нейронами. К сожалению, подробного описания более крупных структур, «подсетей» нашего мозга у нас нет. Но у нас появилась база, на которой можно надстроить его самостоятельно. Теперь мы будем проводить эксперименты и собирать информацию о поведении мозга. А затем будем на основе базовой модели строить объяснение результатов экспериментов. Если мы построим его правильно, оно не только объяснит то, что мы уже знаем, но и предскажет результаты дальнейших экспериментов.
Первое на что я обратил внимание — у нас есть понятие объекта. Или целого. Ну, в общем все то, что можно посчитать натуральными числами: столы, стулья, дома, деревья, листья, мозги… Мозгу эта концепция явно нравится, она интуитивно понятна. Но мы знаем, что мир не состоит из объектов, как мы их видим. Монитор, с которого вы читаете этот текст, не цельный объект. Мы можем разложить его на составляющие. У него есть пиксели, есть рамка… Разбивая его дальше мы дойдем до молекул и атомов. Но атомы и молекулы — тоже не целое, они состоят из других частиц.
И я подумал — а что если существование объектного восприятия мира объясняется самой структурой нашей нейросети? Что если «объект» — это слово, которое описывает активацию связной области? Это объясняет почему мы воспринимаем стул или стол, как целое — они имеют один контур, выделяющийся на общем фоне. Возможно это вызывает одновременную активацию целой подсети в зрительной коре?
Точно так же можно распознавать слова и буквы. Если очень упрощать, то на нашей картинке это будет выглядеть так:
Я сформулировал гипотезу: В мозгу существуют области, с сильными связями между нейронами. Их активация дает ощущение «цельности» или «наличия объекта». Теперь нужно проверить ее на прочность.
Выяснилось, что люди успешно заполняют пробелы в знакомых словах и не могут этого сделать с незнакомыми. Это хорошо согласовывалось с прочитанным в других источниках и с моей гипотезой.
Для слуха это тоже работало. Люди отлично распознавали знакомую им речь, даже при плохом сигнале, но не справлялись, если встречали малознакомый шаблон.
Понимаете, я с детства был тем парнем, который услышав, что можно посчитать время падения мячика, шел на балкон девятого этажа и сбрасывал мячик вниз. Проверял, что формула работает. Лучше один раз увидеть, но еще лучше — один раз самому повторить эксперимент.
Потом я заметил, что иногда люди говорят странные вещи, которые я проверить не могу. Вернее, я их проверяю, но они не работают всегда. И когда они не работали, люди объясняли, что я недостаточно в них верил. Но мячик то всегда падает примерно одинаково! И я не прилагаю усилий, чтобы поверить в гравитацию. Если бы мячик в половине случаев улетал вверх, потому что я недостаточно верю в него — это было бы чертовски странно.
Даже умные и авторитетные люди допускали такие ошибки. Поэтому, мне показалось разумным, что любую информацию которую я могу легко проверить — надо проверять самостоятельно. Если у меня нет возможности провести эксперимент, то я пытаюсь найти результаты других экспериментов и читаю как они проводились. Если я не нахожу странных ошибок, и результаты согласовываются с другими частями «картины мира» — я проверяю теорию, которая построена на его результатах. На формальные ошибки, магически взявшиеся термины и числа и прочие вещи такого рода. Чем больше согласующейся информации — тем лучше.
Мне кажется, что разумнее выглядеть в глазах других людей неучем, задающим «очевидные вопросы» и проверяющим «очевидные вещи», чем ничего не проверять. Иначе потом может оказаться, что все это время ты не выглядел идиотом, зато вел себя как идиот, да еще и с негативными последствиями для себя. И свои выводы — тоже надо перепроверять. С особой тщательностью.
Я тестировал свое предположение 3 месяца, и оно работало на удивление хорошо.
Подаешь на вход сильно-связный шаблон — люди говорят, что он вызывает чувство целого, определяют его как 1 объект. Ломаешь порядок, пытаясь создать другой узор активации — целое разбивается на части и становится несколькими объектами.
Например: «Поля», «Теория», «Единая» / «Единая», «Теория», «Поля» (7 минут пытался найти пример на русском. Кто придумал синхронизировать восприятие слов через их форму? С английским все проще: Special Relativity/Relativity Special, Einstein Field Equations/Field Equations Einstein)
Так я пришел к Гипотезе 1:
В мозгу существуют сильно-связные сети нейронов. Активация такой сети рождает чувство «одного объекта» или «целого». Запись новых объектов в память происходит через создание новой сильно-связной области.
Иными словами, я считаю что возможность различать объекты обеспечивается связностью и временной задержкой активации.
P.S.
Оговорюсь, что скорее всего есть ограничение на размер подсети. Сколько не учи стих, одним объектом весь его текст не станет, это будет последовательная активация по цепочке.
Непонятно, как именно появляется «чувство цельности». Откуда приходит сообщение в часть мозга, которую мы воспринимаем как Себя, о том, что другая часть «закрыла гештальт»?
Критерии фальсификации:
Эта гипотеза будет выкинута на помойку, если:
Гипотеза участвует в программе поощрения критического мышления: 50$ за опровержение.
Дополнительное описание под спойлером ниже:
Я выплачу из своего кармана 50 долларов первому, кто формально или экспериментально опровергнет мою гипотезу.
Вы должны доказать один из критериев фальсификации, или составить свой. И фальсифицировать мою гипотезу. Если ваш критерий хорош, и я не найду изъянов в логике опровержения — вы молодец. Спорить, чтобы просто доказать свою правоту я не буду (ладно, я не говорю, что совсем не буду, но очень постараюсь).
Пример плохого:
«Ты что, самый умный?» — без комментариев.
«А вот я смотрел видео одного психолога, и он сказал. » — аналогично, если он не сказал что-то подходящее под шаблон хорошего опровержения.
«И где в этой гипотезе объяснение рефлексов?» — рефлекс срабатывает до того, как сигнал достигнет мозга. Это не та память, которую мы ищем.
«А где же эмоции?» — В амигдале. Мы еще поговорим об этом. Сегодня про память.
«А я вот знаю человека, который говорит, что видит на картинке с квадратом 4 объекта»:
1 — говорит, не значит, что не воспринимает как целое.
2 — если человек умеет считать, то он точно умеет группировать объекты. То что у него другой способ группировки говорит лишь о том, что у него очень интересно устроена схема связей.
3 — Вообще это один из признаков расстройства. Интересные личности, например с манией, имеют такую особенность, как восприятие по-часть-Я-ммм… За счет этого, они находят скрытый смысл или отсылки, которые у «нормального» чело-века фильтр-уют-с-Я.
4 — Нет, если вы иногда играетесь с тем, что разбиваете слова на компоненты — это не проблема. Проблема, это когда вы начинаете использовать смысл своего разбиения как основной, и отнюдь не в целях повышения выразительности.
«Сильно-связные подсети нейронов» я буду называть просто «объектами». Мне лень писать 3 слова. Все психологические теории памяти оперировали именно этим понятием, да и в обиходе оно имеет смысл «то, что можно выделить как целое».
Как вы понимаете, объекты связываются с другими объектами. Если в результате получилась подсеть, которая активируется моментально, мы будем считать, что у нас образовался новый объект. Если связь недостаточна сильна или подобъектов слишком много для моментальной активации — я буду называть такую конфигурацию «моделью».
Всю совокупность объектов и связей между ними я предлагаю назвать Графом Знаний (Knowledge Graph) и обозначить его на КДПВ.
Summary
Мы посмотрели на то, как устроены нейроны, и составили их математическую модель (да, да стрелочки и кружочки — это теория графов). Слегка коснулись того, как работают в мозгу антидепрессанты и антипсихотики — они регулируют уровни нейромедиаторов и таким образом влияют на активацию нейронов (по сути — меняют силу связей). Узнали о правиле Хебба (нейроны которые вместе включаются — вместе соединяются), и механизме E-LTP, который отвечает за кратковременную память. Посмотрели на то, как мозг решил задачу долговременного запоминания — с помощью фиксации силы связи через L-LTP.
На основе нашей модели мы предсказали существование подсетей нейронов с сильными связями.
С помощью этого предположения мы попробовали объяснить некоторые эффекты, наблюдаемые нами: оптические иллюзии, додумывание и угадывание объектов на основе неполной информации, существование ощущения «одного объекта». Как ни странно — получилось. Тот же механизм мы смогли использовать и для составления более сложных структур — моделей и комплексных объектов. И это тоже работает.
Мне кажется, это неплохой промежуточный результат, но пока у нас больше вопросов, чем ответов:
Если у вас возникли вопросы по какой-либо части — я могу изложить что-то более детально в комментариях или написать уточняющую статью. Эта и так тянет на лонгрид, если излагать еще подробнее — получим целую книгу. Не уверен, что это соответствует формату Хабра.
Если у вас есть пожелания по стилю изложения — буду рад услышать их.