Означает ли тот факт, что если в мозге больше нервных клеток, то и лучше когнитивные способности? На этот вопрос попытались ответить ученые из Кембриджского университета в научной статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. И ответом стало: не совсем.
В природе очень много примеров, когда большие мозги указывают на более развитое когнитивное поведение. И кажется абсолютно последовательным мнение, что чем больше будет количество нервных клеток и связей между ними – синапсов, что, как известно, является показателем хороших памяти и мышления – тем лучше будут у человека способности к обучению.
Инструмент для опыта
Существует гипотеза о том, что эволюционно мозг животных усложняется и увеличивается, чтобы решать сложные задачи, стоящие перед ними. Но ограничением здесь выступают высокие энергетические затраты на функционирование такой сложной структуры. Поэтому природе всегда приходится находить баланс между необходимостью решения сложных задач и количеством нервных клеток, необходимых для их решения.
Итак, у ученых из Кембриджа была цель – проанализировать, как влияет размер биологической нейронной сети на способность к обучению и выполнения конкретных задач. К тому же известно, что искусственные нейросети имеют тем более высокую производительность, чем больше в них искусственных нейронов.
Особенно интересным это исследование делает то, что в естественной сети может иметь место так называемый синаптический шум – ложные фоновые молекулярные сигналы в синапсах. Логично предположить, что с ростом числа нейронов, а соответственно и синапсов, будет расти величина этого шума.
Опыт проводился не на живой биологической нервной сети, поскольку это было бы крайне сложно воспроизвести, а на искусственной путем компьютерного моделирования. Ученые попытались предоставить «искусственным мозгам» максимально биологические свойства. В том смысле, что у них учитывались количество нейронов, число синапсов и величина синаптического шума, как и в живых системах. Для этого нужно было смоделировать определенный шум в правиле обучения нейросети и отдельно внутренний синаптический шум, который независимо распространяется по синапсах. Затем, изменяя количество нейронов в сети, исследовалось, как различные ее размеры влияют на обучение и выполнение задач.
Золотая середина
Во время опыта оказалось, что, действительно, большее количество нейронов способствовало лучшему и быстрому обучению. Исследователи предположили, что лишний шум может быть успешно преодолен в больших сетях.
«Наши исследования показывают, что добавление «запасных» или избыточных соединений в мозговых сетях может фактически повысить производительность обучения. Такие дополнительные соединения, которые не являются крайне необходимыми для работы мозга, могут облегчить изучение нового задания», – объясняет доктор Тимоти Лири, ведущий автор статьи.
Но только до определенного предела, после которого большое количество нервных клеток только мешало. С избытком нейронов между ними также росло число избыточных синапсов. А с накоплением молекулярных шумов преимущества, полученные от лучшего обучения, просто терялись.
«Однако мы обнаружили, что если каждый новый мостик добавляет «шума» к сигналу, который он передает, общий прирост производительности в конечном итоге теряется, поскольку сеть увеличивается в размерах», – говорит доктор Тимоти Лири.
«Хотя доказательства указывают на то, что большие мозги, как правило, встречаются у видов с высокой когнитивной функцией и способностью к обучению, размер головного мозга может в конечном итоге быть ограничен необходимостью эффективно учиться с ненадежными синапсами. Иными словами, добавление нейронов и связей в мозге может помочь учиться – до определенной степени. После этого увеличение размера может на самом деле ослабить способность к обучению».
По мнению исследователей, существует некоторый оптимальный размер нейронных сетей, который позволяет лучше усваивать информацию и выдавать ее при выполнении заданий. Авторы статьи говорят, что это исследование может помочь лучше понять, почему некоторые неврологические расстройства обучения связаны с чрезмерным числом связей между нейронами.
Ваше мнение