Работа, опубликованная 22 октября в журнале Neuron, является кульминацией шестилетних поисков совместной команды из трех институтов над решением давнего вопроса и открывает дверь к более общему пониманию того, как мозг учится и объединяет новые. опыт в совершенно разных временных масштабах.Нейронные сети образуют обучающую машину, которая позволяет мозгу извлекать и сохранять новую информацию из окружающей среды через органы чувств. Исследователи долго ломали голову над тем, как мозг достигает чувствительности и устойчивости к неожиданным новым событиям во время обучения — два, казалось бы, противоречащих друг другу требования.
Новая модель, разработанная этой командой математиков и исследователей мозга, показывает, как сеть мозга может усваивать новую информацию, сохраняя при этом стабильность.Чтобы решить эту проблему, команда обратилась к классической экспериментальной системе. После рождения зрительная область коры головного мозга претерпевает быструю модификацию, чтобы соответствовать свойствам нейронов, когда они видят мир левым и правым глазом, это явление называется «пластичность окулярного доминирования» или ODP.
Открытие этой драматической пластичности было отмечено Нобелевской премией по физиологии и медицине 1981 года, присужденной Дэвиду Хьюбелю и Торстену Визелю.В обучении ODP есть парадокс, который озадачил исследователей: оно основано на быстродействующих изменениях активности, называемых «пластичностью Хебба», при которых нейронные связи усиливаются или ослабевают почти мгновенно в зависимости от частоты их использования.
Однако, действуя в одиночку, этот процесс может привести к нестабильному уровню активности.В 2008 году команда UCSF, состоящая из Мегуми Канеко и Майкла П. Страйкера, обнаружила, что второй процесс, называемый «гомеостатической пластичностью», также контролирует ODP, настраивая активность всей нейронной сети более медленным образом, напоминая систему контроля над нейронной сетью. общая яркость экрана телевизора без изменения его изображения.
Моделируя геббовскую и гомеостатическую пластичность вместе, математики Таро Тойоидзуми и Кен Миллер из Колумбии увидели возможное решение парадокса стабильности мозга во время обучения. Доктор Тойоидзуми, который сейчас работает в Институте науки о мозге RIKEN в Японии, объясняет: «Мы проводили симуляции ODP с использованием традиционной модели.
Когда нам не удалось согласовать данные Канеко и Страйкера с моделью, нам пришлось разработать новую теоретическую модель. решение."«Казалось важным изучить взаимодействия между этими двумя разными типами пластичности, чтобы понять вычисления, выполняемые нейронами в визуальной области», — добавляет доктор Страйкер. Было необходимо протестировать новую математическую модель на животном во время экспериментального ODP, поэтому команды решили сотрудничать.
Теория и экспериментальные данные показали, что быстрая хеббовская и медленная гомеостатическая пластичность работают вместе во время обучения, но только после того, как каждая из них независимо обеспечила стабильность в своей временной шкале. «Основная идея состоит в том, что быстрые и медленные процессы контролируют отдельные биохимические факторы», — сказал доктор Миллер из Института психического и мозгового поведения Мортимера Б. Цукермана Колумбийского университета.«Наша модель разрешает парадокс ODP и может объяснить в общих чертах, как обучение происходит в других областях мозга», — сказал доктор Тойоидзуми. «Опираясь на нашу общую математическую модель обучения, можно получить представление о новых принципах способности мозга и болезней».