Sciencemag.cz
Doporučujeme
A co z toho vyplývá pro umělé neuronové sítě?
Navzdory předchozím předpokladům jsou nervové buňky v lidské mozkové kůře (neokortexu) zapojeny jinak než u myší. Takové jsou závěry nové studie provedené na Charité-Universitätsmedizin Berlin. Výzkum zjistil, že zatímco lidské neurony komunikují jednosměrně, u myší mají signály tendenci proudit ve smyčkách. Rozdílné „zapojení“ možná zvyšuje efektivitu a kapacitu lidského mozku při zpracování informací. Tyto objevy by mohly přispět k dalšímu vývoji umělých neuronových sítí.
Neokortex, u savců rozhodující struktura pro vyšší kognitivní funkce, je u člověka tlustý méně než 5 milimetrů. V této vnější vrstvě mozku zpracovává 20 miliard neuronů nespočet smyslových vjemů, dochází k plánování činností („myšlení“) a nejspíš právě zde se tvoří i základ našeho vědomí. Jak neurony neokortexu zpracovávají všechny informace? To do značné míry závisí na tom, jak jsou vzájemně zapojeny.
„Naše dosavadní poznatky o neurální architektuře neokortexu vycházejí především z poznatků získaných na zvířecích modelech, jako jsou myši,“ vysvětluje spoluautor studie Jörg Geiger z Institutu pro neurofyziologii na Charité. „V těchto modelech spolu sousední neurony často komunikují, jako by spolu vedly dialog. Jeden neuron dává signál druhému a ten mu ho posílá zpět. To znamená, že informace často proudí v rekurentních smyčkách.“
Lidský neokortex je mnohem masivnější a složitější než myší. Přesto vědci dříve předpokládali – především kvůli nedostatku dat – že se řídí stejnými základními principy zapojení. Tým vědců z Charité pod vedením J. Geigera nyní pomocí výjimečně vzácných vzorků tkání a nejmodernější technologie ale prokázal, že tomu tak není.
V rámci studie vědci zkoumali mozkovou tkáň 23 osob, které podstoupily neurochirurgický zákrok při léčbě epilepsie rezistentní na léky. Při operaci bylo nutné odstranit mozkovou tkáň, což chirurgům umožnilo přístup k nemocným strukturám pod ní. Pacienti souhlasili s použitím odoperované tkáně pro výzkumné účely.
Aby mohl tým pozorovat toky signálů mezi sousedními neurony v nejsvrchnější vrstvě lidské neokortexu, vyvinul vylepšenou verzi techniky, která je známá jako „multipatch“. Ta výzkumníkům umožnila sledovat komunikaci probíhající mezi až 10 neurony najednou. Díky tomu byli schopni provést potřebný počet měření pro zmapování sítě v krátkém čase, než buňky odebrané z těla zemřely. Celkem analyzovali komunikační kanály mezi téměř 1 170 neurony s přibližně 7 200 možnými spojeními.
Tým zjistil, že pouze malá část neuronů „vede vzájemný dialog“. Ukázalo se, že u lidí mají informace tendenci proudit spíše jedním směrem. Málokdy se vrací do výchozího bodu, ať už přímo, nebo prostřednictvím cyklů. Tým pak použil počítačovou simulaci, aby prokázal, že tento dopředu směřovaný tok signálu má výhody z hlediska zpracování dat. Výzkumníci zadali umělé neuronové síti typický úkol strojového učení: rozpoznávání správných čísel ze zvukových záznamů mluvených číslic. Model sítě, který napodoboval lidské struktury, dosáhl v této úloze rozpoznávání řeči více správných odpovědí než model sítě modelovaný podle uspořádání komunikace neuronů v neokortexu myší. „Lidský“ model byl také efektivnější, neboť ke stejnému výkonu bylo zapotřebí ekvivalentu 380 neuronů v myším modelu, ale pouze 150 v lidském. Architektura sítě u člověka má být výkonnější a šetří zdroje, protože více nezávislých neuronů může řešit různé úkoly současně. Lokální síť tak dokáže uchovávat více informací.
Autoři studie ovšem připouštějí, že výsledky jsou založeny pouze na zkoumání nejvzdálenější vrstvy neokortexu, spánkové kůry. Není jasné, zda podobné rozdíly platí i pro architekturu dalších částí neokortexu u člověka a myši. A říct, že právě na tomto rozdílu jsou založeny jedinečné kognitivní funkce lidí (respektive to, že „člověk je chytřejší než myš“), by bylo samozřejmě přehnané.
Zajímavé v této souvislosti je, že v minulosti se vývojáři umělé inteligence při navrhování umělých neuronových sítí inspirovali biologickými modely, ale své algoritmy optimalizovali také nezávisle na nich. „Mnoho umělých neuronových sítí již používá nějakou formu tohoto dopředně směrovaného propojení, protože přináší lepší výsledky pro některé úlohy,“ uvádí průvodní tisková zpráva.
Yangfan Peng et al, Directed and acyclic synaptic connectivity in the human layer 2-3 cortical microcircuit, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adg8828. www.science.org/doi/10.1126/science.adg8828
Zdroj: Charité – Universitätsmedizin Berlin / MedicalXpress.com, přeloženo / zkráceno
