Как возникает сознание? Исследователи подозревают, что ответ на этот вопрос кроется в связях между нейронами. К сожалению, однако, мало что известно о проводке мозга. Это связано также с проблемой времени: отслеживание соединений в собранных данных потребует человеко-часов, составляющих много жизней, поскольку до сих пор ни один компьютер не смог достаточно надежно идентифицировать контакты нейронных клеток. Ученые из Института нейробиологии Макса Планка в Мартинсриде планируют изменить это с помощью искусственного интеллекта. Они обучили несколько искусственных нейронных сетей и тем самым позволили значительно ускорить реконструкцию нейронных цепей.
Нейронам нужна компания. По отдельности эти клетки могут достичь немногого, однако когда они объединяют свои силы нейроны образуют мощную сеть, которая управляет нашим поведением, среди прочего. В рамках этого процесса клетки обмениваются информацией через свои контактные точки, синапсы. Информация о том, какие нейроны связаны друг с другом, когда и где, имеет решающее значение для нашего понимания основных функций мозга и сверхординатных процессов, таких как обучение, память, сознание и расстройства нервной системы. Исследователи подозревают, что ключ ко всему этому лежит в проводке приблизительно 100 миллиардов клеток в человеческом мозге.
Чтобы иметь возможность использовать этот ключ, коннектом, то есть каждый отдельный нейрон в мозге с его тысячами контактов и клеток-партнеров, должен быть отображен. Еще несколько лет назад перспектива достижения этого казалась недостижимой. Однако ученые в отделе электронов-фотонов-нейронов Института нейробиологии Макса Планка отказываются сдерживаться понятием, что что-то кажется “недостижимым"."Таким образом, за последние несколько лет они разработали и усовершенствовали методы окрашивания и микроскопии, которые могут быть использованы для преобразования образцов мозговой ткани в трехмерные изображения с помощью электронного микроскопа высокого разрешения. Их самый последний микроскоп, который используется отделом как прототип, просматривает поверхность образца с 91 электронным пучком параллельно перед подвергать действию следующий уровень образца. По сравнению с предыдущей моделью это увеличивает скорость сбора данных более чем в 50 раз. В результате весь мозг мыши может быть нанесен на карту всего за несколько лет, а не десятилетий.
Хотя сейчас можно разложить кусочек мозговой ткани на миллиарды пикселей, анализ этих изображений с помощью электронного микроскопа занимает много лет. Это связано с тем, что стандартные компьютерные алгоритмы часто слишком неточны, чтобы надежно отслеживать тонкие проекции нейронов на большие расстояния и идентифицировать синапсы. По этой причине людям все еще приходится проводить часы перед экранами компьютеров, идентифицируя синапсы в грудах изображений, генерируемых электронным микроскопом.
Ученые Макс Планк во главе с Йоргеном Корнфельдом теперь преодолели это препятствие с помощью искусственных нейронных сетей. Эти алгоритмы могут учиться на примерах и опыте и делать обобщения, основанные на этих знаниях. Они уже сегодня очень успешно применяются в процессе обработки изображений и распознавания образов. “Таким образом, это не было большой натяжкой, чтобы представить себе использование искусственной сети для анализа реальной нейронной сети”, - говорит Корнфельд. Тем не менее, это было не так просто, как кажется. В течение нескольких месяцев ученые работали над обучением и тестированием так называемых сверточных нейронных сетей, чтобы распознавать расширения клеток, их компоненты и синапсы и отличать их друг от друга.
После краткого этапа обучения, полученная сеть SyConn теперь может идентифицировать эти структуры автономно и чрезвычайно надежно. Его использование на данных из мозга певчих птиц показало, что SyConn настолько надежен, что людям нет необходимости проверять ошибки. “Это абсолютно фантастично, поскольку мы не ожидали достичь такой низкой частоты ошибок", - говорит Корнфельд с явным восторгом от успеха SyConn, который является частью его докторского исследования. И у него есть все основания радоваться, так как недавно разработанные нейронные сети избавят нейробиологов от многих тысяч часов монотонной работы в будущем. В результате они также сократят время, необходимое для декодирования коннектома и, возможно, сознания, на много лет.