Ученые из Института Солка выяснили, что нейронные волны в зрительной коре головного мозга работают как сложный вычислительный механизм. Эти электрические импульсы, распространяющиеся по поверхности коры, не являются «фоновым шумом», а представляют собой важнейший процесс для формирования трехмерного представления окружающего мира, восприятия реальности и предсказания изменений в ней.
Мозг использует электрические импульсы для передачи сигналов между синапсами. Еще в 2020 году группа нейробиологов под руководством Джона Рейнольдса обнаружила связь между «бегущими волнами» в зрительной системе и способностью животных замечать объекты, находящиеся прямо перед ними. Это открытие помогло объяснить, почему человек иногда долго не может найти предмет, лежащий на самом видном месте: все дело в специфике волновой активности.
В своей новой работе Рейнольдс с коллегами предложили концепцию, согласно которой нейронные связи, генерирующие эти волны, адаптируют свою структуру или синаптические веса под окружающую среду. Авторы исследования проводят прямую параллель с работой больших языковых моделей (LLM). Подобно тому как нейросети анализируют статистическую структуру данных для генерации текста, мозг использует бегущие волны как биологическую генеративную модель, которая постоянно перестраивается на основе сенсорного опыта.
Динамические паттерны возникают благодаря внутренним связям в сетях нейронов. Они позволяют мозгу объединять информацию о пространстве и времени значительно эффективнее, чем это делают классические иерархические модели. Эти волны не только модулируют возбудимость нейронов, но и напрямую влияют на скорость реакций и точность восприятия.
Четыре ключевые функции нейронных волн
В зрительной коре головного мозга ученые выделяют четыре основные задачи, которые решают бегущие волны:
- Модуляция восприятия в реальном времени.
- Трансформация поступающих визуальных данных в целостные образы.
- Генерация краткосрочных прогнозов об изменениях в окружающей среде.
- Сохранение и воспроизведение паттернов воспоминаний.
«Динамика, подобная этим нейронным бегущим волнам (nTW), является фундаментальной и широко распространенной характеристикой работы мозга. Она проявляется на самых разных масштабах у различных видов — от рыб до человека. В зрительной коре как спонтанные, так и вызванные стимулами волны модулируют нейронную возбудимость и напрямую влияют на пороги восприятия, определяя чувствительность к внешним сигналам. В моторной коре волны в бета-диапазоне служат предиктором времени начала движения, в то время как в префронтальной и теменной коре аналогичные процессы связаны с механизмами рабочей памяти. За пределами новой коры эти волны кодируют память и организуют сигналы для обучения с подкреплением. Наиболее ярко эта динамика выражена во время сна, что подчеркивает глобальный характер волновых процессов для когнитивных функций», — отмечает Джон Рейнольдс.
Исследователи зафиксировали, что импульсы могут распространяться как непрерывно, так и дискретно, используя длинные горизонтальные волокна, соединяющие нейроны внутри одной области. Традиционные теории рассматривали работу зрительной системы как строгую иерархию передачи сигналов, однако модель «нейронных бегущих волн» добавляет к этому пониманию «третье измерение» — вычисления, происходящие непосредственно внутри областей мозга.
В отличие от систем, ориентированных исключительно на передачу сигналов, эти процессы сохраняют историю стимуляции. Это позволяет мозгу строить прогнозы, опираясь на взаимосвязь времени и места событий. Подобная генеративная обработка данных делает биологические процессы поразительно похожими на работу современных систем искусственного интеллекта, которые обучаются на динамических сценах для создания гибкой модели мира.
