Нейроны мозга способны на нелинейные операции

Используя компьютерное моделирование сетей, похожих на мозг, исследователи из Германии и Японии обнаружили, как нервные клетки передают информацию с помощью небольших электрических импульсов. Оказалось...

Используя компьютерное моделирование сетей, похожих на мозг, исследователи из Германии и Японии обнаружили, как нервные клетки передают информацию с помощью небольших электрических импульсов. Оказалось, что этот процесс позволяет мозгу обрабатывать информацию гораздо быстрее, чем считалось ранее, а одиночные нейроны способны выполнять нелинейные операции, например умножение, которые являются ключевыми для комплексной обработки информации. Это открытие может помочь созданию новых сложных форм вычислений.

Нервные клетки общаются друг с другом посредством электрических импульсов - так называемых потенциалов действия. В течение десятилетий считалось, что они просто суммируют крошечные входящие импульсы и испускают сигналы, когда достигается некий порог накопления импульсов. Однако входящие импульсы бывают ничтожно малыми и не всегда способны объяснить силу выходного сигнала простым суммированием.

Подобно тому, как одна крошечная капля дождя в конечном счете приводит к выбросу воды, один небольшой электрический импульс провоцирует нейрон на производство своего собственного мощного импульса.

Ученые, наконец, объяснили, что именно происходит прямо перед тем, как нервная клетка испускает импульс. Они провели моделирование на высокопроизводительных компьютерах и нашли идеальный пример, объясняющий принцип работы предмета их исследования: устройство для полива японских садов - шиши-одоши. Это устройство из бамбука, которое медленно наполняется капля за каплей и по достижении некого уровня воды выплескивает ее.

Капли соответствуют входящим синаптическим импульсам, каждый из которых немного повышает "уровень воды". Одна дополнительная капля в конечном итоге вызывает наклон шиши-одоши и выплескивает воду. Когда опустевшее шиши-одоши качается обратно, оно стучит по камню, что соответствует сигналу нейрона. Таким образом, один синаптический импульс может сильно влиять на потенциал действия нейрона – наподобие того, как сила удара шиши-одоши зависит от веса последней капли. Предыдущие теории пренебрегали этим фактом, однако уровень последнего импульса очень сильно меняет потенциал действия нейронов, а значит и характеристики нервного импульса.

Также это объясняет, почему нервные клетки обрабатывают информацию гораздо быстрее, чем считалось ранее. Стало ясно, что нейроны не просто суммируют импульсы - в нужные моменты они способны на нелинейные операции. Наличие такой способности объясняет, каким образом мозг способен выполнять сложные вычисления и может помочь создать новые виды компьютерных процессоров.