Що робить мозкову мережу ефективною для обчислень? Нове дослідження припускає, що відповідь може полягати в її структурі зв'язків. Дослідники змоделювали мережу з 1000 нейронів і виявили, що з'єднання за типом «малого світу» — коли більшість нейронів з'єднані локально, але деякі мають глобальні зв'язки — забезпечує найбагатший репертуар поліхронних нейронних груп (PNG), часових каскадів активації, які, як вважають, кодують інформацію.
Дослідження
Команда під керівництвом Лукаса Карнейро та Армана Жіофака з Бразилії та Франції провела десятигодинне моделювання взаємопов'язаної мережі нейронів Іжикевича, використовуючи пластичність, залежну від часу спайків (STDP), та варіації аксональних затримок. Вони систематично змінювали топологію мережі за допомогою моделі Воттса-Строгаца, яка дозволяє безперервно регулювати структуру від регулярної кільцевої решітки до випадкового графа. Алгоритм виявлення подій поза мережею ідентифікував 1545 унікальних PNG у мережі з оптимальними параметрами малого світу.
Ключове відкриття: коефіцієнт кластеризації — міра локальної зв'язності — прогнозував кількість PNG. Кільцева решітка (коефіцієнт кластеризації ~0,35) продукувала близько 850 PNG, тоді як випадковий граф (коефіцієнт кластеризації ~0,20) — менше ніж 50, що становить зменшення понад 90%. Режим малого світу, розташований між регулярністю та випадковістю, максимізував різноманітність PNG.
Автори також запропонували новий метод ідентифікації PNG з використанням рекурентних графіків (RP), які візуалізують, коли стан мережі повторюється в часі. Вони показали, що PNG з'являються як діагональні лінії одиничного нахилу в матриці повторів, що дозволяє виявляти їх без анатомічних міток окремих нейронів. Аналіз рекурентності дав значення детермінізму (DET) 0,65, що вказує на високу відтворюваність динаміки мережі.
Чому це важливо
Поліхронні групи вважаються фундаментальним механізмом нейронних обчислень — своєрідними нейронними «словами», які гнучко комбінуються для представлення думок, спогадів або рішень. Те, що топологія малого світу оптимізує їх виникнення, свідчить про те, що структура вашого мозку може бути еволюційно налаштована саме на цю властивість. Розуміння цих структурних передумов може допомогти інтерпретувати індивідуальні відмінності в когнітивних здібностях і, можливо, одного дня стане основою для інтервенцій підтримки когнітивного здоров'я.
Що ви можете зробити
Хоча ви не можете безпосередньо перебудувати топологію свого мозку, ви можете підтримувати його здатність формувати ефективні нейронні патерни. Займайтеся діяльністю, яка одночасно активує кілька мозкових ділянок — наприклад, вивчення нової мови, гра на музичному інструменті або розв'язання головоломок — це може сприяти збереженню з'єднань малого світу. Регулярна ментальна стимуляція підтримує активність нейронних шляхів і може сприяти такій динаміці мережі, яка лежить в основі гнучкого мислення.
Джерело: arXiv q-bio.NC
Цікавитесь власним мозком? Пройдіть наш безкоштовний адаптивний IQ тест або спробуйте 306 рівнів тренування мозку.
