Учёные обнаружили скрытый механизм принятия решений в мозге

Американские исследователи пришли к выводу, что мозг начинает формировать решение значительно раньше, чем предполагала классическая нейробиология. Сигналы, связанные с выбором, удалось обнаружить уже в первичной соматосенсорной коре — области, которую долго считали одним из начальных пунктов обработки информации. Результаты могут изменить представления об архитектуре мозга и повлиять на разработку новых систем искусственного интеллекта.

В течение десятилетий считалось, что сенсорные данные последовательно перемещаются от нижних уровней нервной системы к более сложным отделам. Согласно этой модели, первичные зоны коры распознают поступающие сигналы, после чего информация передаётся дальше и в конечном счёте достигает лобных областей, отвечающих за осознанный выбор.

Именно этот принцип лёг в основу многих современных нейросетей. В них данные также проходят через цепочку уровней, где постепенно выделяются всё более сложные признаки. Однако новое исследование показывает, что биологический мозг использует не только прямое движение информации.

Учёные из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне обнаружили, что ранние сенсорные области участвуют в принятии решений и получают обратные сигналы от более высоких уровней. Таким образом, работа мозга напоминает не прямую лестницу, а разветвлённую систему постоянно взаимодействующих контуров.

Эксперимент провели в виртуальной реальности

Исследовательская группа под руководством профессора электротехники и вычислительной техники Юрия Власова наблюдала за активностью мозга мышей. Животные перемещались по виртуальному коридору и с помощью усов собирали сенсорную информацию, необходимую для выбора направления движения.

Во время эксперимента специалисты регистрировали нейронные сигналы в первичной соматосенсорной коре, обозначаемой как S1. Эта зона одной из первых получает сведения о прикосновениях и положении частей тела.

Оказалось, что активность S1 отражала не только поступление внешнего раздражителя, но и процесс выбора. Более того, работа этой области менялась под воздействием сигналов, поступавших сверху — от участков мозга, находящихся на более высоком уровне обработки информации.

Авторы исследования считают, что решение формируется в результате двустороннего обмена данными. Высшие отделы не ждут, пока сенсорная система полностью завершит обработку сигнала, а вмешиваются в неё практически с первых этапов.

Открытие может изменить архитектуру искусственного интеллекта

Полученные результаты важны не только для нейробиологии. Современные модели искусственного интеллекта способны выполнять сложные задачи, но требуют огромного количества вычислений и электроэнергии. Человеческий мозг справляется с распознаванием образов, движением и принятием решений при значительно меньших энергозатратах.

Исследователи предполагают, что причина такой эффективности может заключаться именно в системе обратных связей. Вместо последовательной передачи данных биологический мозг многократно уточняет информацию, используя сигналы, которые одновременно движутся в разных направлениях.

Новая модель работы мозга потенциально позволит создавать нейросети, в которых ранние вычислительные уровни будут не только передавать данные дальше, но и учитывать промежуточные выводы более сложных компонентов системы. Это может повысить эффективность искусственного интеллекта и сократить его энергопотребление.

При этом авторы подчёркивают, что исследование пока не предлагает готовой технологии для создания нового поколения ИИ. Оно лишь показывает архитектурный принцип, который инженеры смогут использовать при дальнейшей разработке вычислительных систем.

Учёным предстоит выяснить точную последовательность сигналов

Следующим этапом станет изучение временной динамики нейронной активности. Исследователям необходимо определить, в какой момент запускаются обратные связи, какие области мозга их формируют и как они влияют на сенсорную обработку.

Для этого команда планирует разработать более точные инструменты регистрации активности нейронов. Такие технологии должны помочь проследить быстрый обмен сигналами между различными уровнями коры и понять, как из этого взаимодействия возникает окончательное решение.

Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Эксперимент проводился на животных, поэтому его результаты нельзя автоматически переносить на все механизмы человеческого мышления. Однако обнаруженный принцип ставит под сомнение представление о мозге как о системе с жёсткой иерархией.

Исследование показывает, что процесс выбора может начинаться уже на первых этапах восприятия. Если выводы подтвердятся в дальнейших экспериментах, они способны скорректировать как нейробиологические модели, так и подходы к проектированию искусственного интеллекта.