Урок 2.8. Понятие Deep Learning и Machine Learning, в чем отличие
Простыми словами, речь идет о нейронах, которые хранят абстрактные представления прошлого опыта, и активируются, когда происходит похожее событие.
Представьте, что вы встречаетесь с другом, чтобы поужинать в новом ресторане. Вы можете попробовать блюда, которые раньше не пробовали, при этом, все, что вас окружает, будет совершенно новым для вас. Тем не менее, ваш мозг знает, что вы уже испытывали аналогичные переживания во время выполнения таких действий, как, просмотр меню, выбор закусок, заказ основных блюд, десертов. Все это вы уже делали, когда ужинали в другом ресторане или кафе ранее.
В настоящее время нейробиологи Массачусетского технологического института (MIT) определили группы клеток, которые кодируют каждый из этих отличительных сегментов нашего опыта, приобретенного во время жизни. Эти “частички” памяти, хранящиеся в гиппокампе (hippocampus), активируются всякий раз, когда в жизни человека случается похожий опыт. Данные клетки отличаются от нейронов, которые хранят подробные воспоминания о конкретных местах.
Новый тип клеток был обнаружен при проведении опытов на мышах. Исследователи полагают, что этот механизм запоминания похожих друг на друга событий помогает мозгу интерпретировать новые ситуации и узнавать новую информацию, используя те же ячейки памяти для хранения и извлечения информации об аналогичных случаях.
«Когда вы сталкиваетесь с чем-то новым, появляются некоторые действительно новые и заметные стимулы в сознании, но при этом вы уже кое-что знаете об этом, потому что новый опыт отчасти подобен тому, что был у вас раньше», - говорит Сусуму Тонегава (Susumu Tonegawa), профессор биологии и нейробиологии в лаборатории генетики нервных цепей RIKEN-MIT при Институте обучения и памяти им. Пикауэра при MIT.
Статья, посвященная данным исследованиям, подготовлена и опубликована в Nature Neuroscience. Основным автором является Чен Сун (Chen Sun), аспирант Массачусетского технологического института, второй соавтор, - уже известный нам Сусуму Тонегава.
Помощь в работе над статьей также оказывали следующие соавторы:
Ваннан Янг (Wannan Yang) - аспирант Нью-Йоркского университета и
Джаред Мартин - технический сотрудник Института Пикауэра.
Хорошо известно, что определенные клетки в гиппокампе мозга специализированы для хранения воспоминаний о конкретных местах. Исследования на мышах показали, что в гиппокампе нейроны, называемые “клетками места” (place cells), срабатывают, когда животные находятся в определенном месте, или даже если они мечтают о нем.
В новом исследовании команда MIT хотела выяснить, хранит ли гиппокамп представления о более абстрактных элементов памяти. То есть вместо того, чтобы активироваться каждый раз, когда вы входите в конкретный ресторан, такие клетки могут именно кодировать определенный десерт или закуску, независимо от того, где вы ее едите.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи измерили активность в нейронах области CA1 гиппокампа мыши, поскольку мыши неоднократно бегали в лабиринте с четырьмя кругами. В конце каждого четвертого круга мышам давали награду. Как и ожидалось, исследователи обнаружили нейроны, которые активировались, когда мыши достигали определенных точек вдоль дорожки. Тем не менее, исследователи также обнаружили иные группы клеток, которые были активны в течение одного из четырех кругов, не относящиеся к первому типу. Около 30% нейронов в CA1, по-видимому, были вовлечены в создание этого «кода события».
«Это дало нам первоначальное предположение, что помимо кода для пространства, клетки в гиппокампе также заботятся об этом отдельном “куске опыта”, называемом кругом 1, кругом 2, 3 или 4, как таковом», - говорит Сун.
Для дальнейшего изучения этой идеи исследователи обучили мышей бегать в квадратном лабиринте в 1-й день, и затем в круговом лабиринте во 2-й день. Мыши также получали вознаграждение в каждом лабиринте после каждого 4 круга. Ученые обнаружили, что “клетки места” изменили свою деятельность, подстраиваясь под новую обстановку. Однако одни и те же наборы нейронов были активированы во время каждого из четырех кругов, независимо от формы лабиринта. Активность этих клеток, кодирующих событие передвижения по кругу, также оставалась постоянной, когда дистанция круга была случайна сокращена или, наоборот, удлинена.
«Даже в новых пространственных условиях клетки продолжили хранить абстрактную информацию о числе кругов. Это позволяет предположить, что нейроны, хранящие информацию для круга 1 в квадратном лабиринте, теперь переведены в режим хранения информации круга 1 в круглом лабиринте», - говорит Сан.
Исследователи также показали, что, если они использовали оптогенетику для подавления сенсорной информации от части мозга, называемой медиальной энторинальной корой (MEC), кодирования кругов с помощью нейронов не происходило. В настоящее время они исследуют, какой вклад MEC вносит в гиппокамп для создания воспоминаний, состоящих из кусочков опыта.
Эти данные свидетельствуют о том, что, действительно, каждый раз, когда вы обедаете, активируются похожие клетки памяти, независимо от того, где и что вы едите. Исследователи полагают, что гиппокамп имеет два независимо управляемых способа кодирования информации. Один способ применяется для хранения постоянных изменяющихся состояний: местоположения, времени и сигналов от органов чувств. В то время как другой способ как бы разделяет общий опыт на небольшие кусочки, которые можно отнести к известным категориям, таким как закуска или десерт.
«Мы считаем, что оба механизма в гиппокампе полезны и важны», - говорит Тонегава. «Если мы хотим запомнить все детали того, что происходило в конкретном случае, во время некоторых сиюминутных изменений, то постоянный мониторинг эффективен. Но с другой стороны, когда у нас есть более длительный опыт, если вы разобьете его на абстрактные порции, и будете хранить их в определенном порядке, это более эффективно, чем непрерывный мониторинг длительных изменений».
Новые результаты MIT «значительно расширяют наши знания о функции гиппокампа», - говорит Георгий Бузсаки (Gyorgy Buzsaki), профессор неврологии в Медицинской школе Нью-Йоркского университета, который не входил в состав исследовательской группы.
«Эти выводы важны, потому что они говорят нам, что гиппокамп делает гораздо больше, чем просто “представляет пространство” или объединяет отдельные дорожки в большое длинное путешествие», - говорит Бузсаки.
«Исходя из этих замечательных результатов, Тонегава и его коллеги пришли к выводу, что они обнаружили механизм кодирования однотипных событий, предназначенный для хранения в памяти длительного опыта. Этот совершенно независимый механизм, который также является функцией гиппокампа».
Тонегава и Сан полагают, что обнаруженные группы нейронов, которые кодируют кусочки опыта, также могут быть полезны для нового типа обучения, называемого трансферным обучением. Оно позволяет вам применять знания, которые у вас уже есть, чтобы помочь вам интерпретировать новый опыт или изучать что-то новое. В настоящее время лаборатория Тонегавы работает над поиском групп мозговых клеток, которые могли бы извлекать эти специфические знания.
