Человеческие нейроны: мини-компьютеры внутри

Секрет человеческого мышления, похоже, кроется не в количестве нейронов, а в их «начинке». Недавнее исследование — опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences — утверждает: одиночные клетки человеческого мозга обладают вычислительной мощностью, о которой крысам и не мечталось. Учёные смоделировали работу этих клеток с помощью искусственного интеллекта и выяснили: наши нейроны — не просто биологические разветвители, а полноценные мини-компьютеры.

Мозг состоит из миллиардов нейронов, которые общаются между собой с помощью электрических сигналов. Основная часть способностей вроде речи и решения задач — дело коры головного мозга, её внешнего слоя с характерными складками. В этой коре «рулят» пирамидные клетки — такие здоровенные и ветвистые, что и запутаться несложно. Они похожи на конусы, а всё, что попадает внутрь, передаётся через дендриты — длинные «щёточки», собирающие сигналы по всему периметру. Если сигналов хватает, клетка запускает электрический разряд дальше по цепи — эта простая химия и есть основа наших мыслей.

Удивительное отличие: человеческие пирамидные нейроны больше и ветвистее, чем у крысы — но никто толком не понимал, влияет ли размах на реальную «мозговитость» клетки. Группа исследователей из Еврейского университета в Иерусалиме и Свободного университета Амстердама решили разобраться. Они изобрели показатель «Индекс функциональной сложности». Сложная клетка — сложнее и для обучения искусственной нейросети: она хуже воспроизводит её поведение.

Для проверки учёные оцифровали 24 пирамидные клетки (12 человеческих и 12 крыс), промоделировали каждую за 12 тысяч раундов с разными сигналами — и заставили искусственную сеть угадывать, когда клетка «выстрелит». По всем параметрам человеческие нейроны оказались сложнее, чем у крысы: машинной сети было труднее предсказать их реакцию.

Лидирует по сложности не просто тот, у кого больше веток, а у кого они длиннее и разветвлённее — и особенно, если у клетки больше площади дендритов. Они позволяют части клетки обрабатывать сигналы как бы «в своей песочнице», то есть параллельно друг другу.

Учёные обратили особое внимание на NMDA-рецепторы — специальные белки на концах ветвей, усиливающие сигнал при совпадении волн. Модели показали: именно эти форсированные рецепторы, свойственные человеку, ещё больше увеличивают сложность обработки сигналов.

Интересно получилось и с распределением сложности по слоям коры. У крыс самыми сложными оказались нейроны пятого слоя, у человека — второго и третьего. Эти слои у людей развиты особенно сильно, возможно, благодаря эволюции мозга.

Есть, правда, нюансы. Всё исследование — работа с моделями, живых человеческих клеток в лаборатории никто не мучил. Некоторые свойства (например, активные ионные каналы) не удалось учесть вообще — хороший повод для скептицизма. Кроме того, на результат влияет выбор архитектуры искусственной сети.

Дальше — больше: учёным интересно посмотреть на спайны (маленькие выросты на дендритах) и испытать свой индекс на других клетках, потестировать приматов. А когда появится возможность исследовать настоящие человеческие клетки, сравнения станут точнее.

Авторы работы: Ido Aizenbud, Daniela Yoeli, David Beniaguev, Christiaan P. J. de Kock, Michael London и Idan Segev.