Израильские ученые раскрывают секреты того, как наш мозг управляет движениями

С момента своего рождения и даже раньше мы взаимодействуем с миром посредством движения. Мы шевелим губами, чтобы улыбнуться или поговорить. Мы протягиваем руку, чтобы коснуться чего-либо. Мы двигаем глазами, чтобы видеть. Мы качаемся, ходим, жестикулируем, танцуем. Как же наш мозг запоминает этот широкий диапазон движений? Как он изучает новые? Как он производит расчеты, необходимые нам, чтобы взять стакан воды, не уронив его, не раздавив и не пропустив?

Чтобы разгадать эту тайну, профессор медицинского факультета Техниона Джеки Шиллер и ее группа исследовали мозг на уровне отдельных нервных клеток - нейронов. Они обнаружили, что вычисления, требуемые для движения, происходят не только при взаимодействии между нейронами, но и внутри каждого отдельного нейрона. Каждая из этих ячеек оказалась не простым переключателем 1/0, а сложной вычислительной машиной. Это открытие, недавно опубликованное в журнале Science, обещает не только изменить наше понимание работы мозга, но и лучше понять природу различных патологий - от болезни Паркинсона до аутизма. Кроме того, работа израильских исследователей будет способствовать развитию машинного обучения, вдохновляя новые программные архитектуры.

Движение наших органов контролируется первичной моторной корой головного мозга. Исследователи могут точно определить, какие нейроны срабатывают в любой момент, чтобы произвести движение, которое мы видим. Команда профессора Шиллера первой подошла еще ближе, исследуя активность не всего нейрона как единого целого, а его частей.

Каждый нейрон имеет разветвленные отростки, называемые дендритами. Эти дендриты находятся в тесном контакте с окончаниями (так называемыми аксонами) других нервных клеток, обеспечивая связь между ними. Сигнал идет от дендритов к телу клетки, а затем передается дальше по аксону. Количество и структура дендритов сильно различаются между нервными клетками, как крона одного дерева отличается от кроны другого.

Группа профессора Шиллера исследовала крупнейшие - пирамидальные нейроны. Эти активно обслуживающие движения клетки имеют большое дендритное дерево с множеством ветвей и подветвей. Оказалось, что эти "ветки" не просто передают информацию - каждая из них выполняет расчет полученной информации и передает результат в более крупную подветвь. Там уже обрабатывается информация всех ветвей, которая затем идет на новый верхний уровень. Более того, несколько дендритных ветвей могут взаимодействовать друг с другом для создания единого более мощного вычислительного продукта. Результатом является сложный расчет, выполняемый в каждом отдельном нейроне. Группа профессора Шиллера впервые показала, что нейрон разделен на части и что его ответвления выполняют вычисления независимо друг от друга.

«Раньше мы думали о каждом нейроне как о свистке, который либо гудит, либо нет», — объясняет профессор Шиллер. «Вместо этого оказалось, что нейрон - это скорее пианино. По его клавишам можно нажимать одновременно или последовательно, создавая бесконечное множество различных мелодий». Эта сложная симфония, играющая в нашем мозгу, позволяет нам учиться и выполнять бесконечное количество различных, сложных и точных движений.

Искажения и помехи способности нейронов обрабатывать данные связаны, вероятно, с различным нейродегенеративными расстройствами и болезнями нервной системы. Так, было замечено, что при болезни Паркинсона дендритное дерево претерпевает анатомические и физиологические изменения. В свете открытия ученых Техниона можно предположить, что подобные искажения влияют на способность нейрона выполнять параллельные вычисления. При аутизме возможно изменение возбудимости дендритных ветвей, что приводит к многочисленным эффектам, связанным с этим состоянием. Новое понимание того, как работают нейроны, открывает новые пути исследований этих и других расстройств с надеждой на их лечение в будущем.

Это открытие может повлиять и на развитие машинного обучения. Глубокие нейронные сети, как следует из их названия, пытаются создать программное обеспечение, которое обучается и функционирует примерно так же, как человеческий мозг. Пока что эти сети весьма примитивны по сравнению с живым мозгом, но улучшенное понимание того, как на самом деле работает наш мозг, может помочь в разработке более сложных нейронных сетей, способных выполнять более сложные задачи.

Исследование проводилось под руководством докторантов Яры Отор и Шая Ахвата, в группу также входили постдокторант, а сегодня - нейроинженер Нейт Чермак и докторантка Хадас Бенисти, с участием проф. Омри Барака, Ицхака Шиллера и Алона Полег-Польски.

Источник: MFA
Фото: Pixabay.com