Mozek nikdy neopakuje úplně stejnou odpověď
Kdybychom jednomu neuronu několikrát ukázali přesně stejný obraz, nevystřelí pokaždé totožnou sérii elektrických impulzů. Jeho aktivita kolísá. A když sledujeme tisíce neuronů současně, zjistíme, že část těchto odchylek se navíc mění společně.
V neurovědě se této proměnlivosti často říká šum. Není to nutně chyba ve smyslu porouchaného systému. Jde o nevyhnutelnou součást biologického mozku.
Dlouho ale existovala obava, že právě sdílený šum stanovuje horní hranici množství informace, kterou může neuronová populace nést. Když přidáme první neurony, naše schopnost dekódovat podnět se zlepšuje. Od určitého počtu by však měly společné chyby začít přínos nových buněk rušit a informační kapacita se nasytit. Nová studie v Science Advances tento absolutní strop zpochybňuje.
Nezáleží jen na velikosti šumu, ale na tom, kam míří
Výzkumníci analyzovali aktivitu více než 20 tisíc neuronů z primární zrakové kůry myší. Zaměřili se především na matematickou strukturu variability jejich odpovědí. Klíčovým detailem je směr.
Představme si, že jeden typ změny aktivity neuronů odpovídá skutečné změně obrazu. Pokud se náhodný šum pohybuje přesně stejným směrem, je problém: dekodér nemůže snadno poznat, zda změnil obraz, nebo jen společně „ujížděly“ neurony.
Jestliže ale největší část šumu kolísá jiným směrem než užitečný signál, lze obě věci od sebe lépe oddělit. Právě to autoři v analyzovaných datech našli. Největší složky sdíleného šumu nebyly se signálem zarovnané natolik, aby vytvořily předpokládanou pevnou hranici.
Dvacet tisíc neuronů neznamená neomezený lidský mozek
Tady je velmi snadné sklouznout k závěru typu „vědci zjistili, že kapacita mozku je nekonečná“. To ale studie neříká.
Analyzovala populační kódování ve zrakové kůře myší a konkrétní matematickou míru informace, kterou lze z aktivity neuronů získat. Nezkoumala lidskou paměť, inteligenci ani počet vzpomínek, které se nám vejdou do hlavy.
Výsledek je užší, ale vědecky zajímavější: data nepodporují jednoduchou představu, že rostoucí množství sdíleného neuronového šumu musí samo o sobě způsobit saturaci informační kapacity. Rozhodující je geometrie vztahu mezi signálem a šumem.
Hlučný systém může být překvapivě přesný
Biologické mozky se od digitální elektroniky liší právě tím, že jejich jednotlivé součástky nejsou dokonale spolehlivé. Neuron může reagovat trochu jinak, synapse se mění, chemické prostředí kolísá a do systému vstupují tisíce dalších procesů. Intuitivně bychom proto čekali, že čím více takových buněk spojíme, tím větší chaos vytvoříme.
Mozek ale nepracuje tak, že by jednoduše sčítal jednotlivé neurony. Informace je rozložená v aktivitě celých populací. Pokud jsou směry variability uspořádané příznivě, může velké množství neuronů přidávat další informaci i přesto, že každý z nich sám o sobě není dokonale spolehlivý.
To je možná nejhezčí posun proti starší představě. Otázka nezní jen „kolik šumu mozek má“, ale jak je tento šum uspořádaný vůči tomu, co se mozek snaží reprezentovat.
Mozek možná nepotřebuje být tichý
Výzkum tedy nenaznačuje, že biologický šum je automaticky užitečný nebo že bez něj mozek nefunguje. Ukazuje spíš, že jeho přítomnost sama o sobě nemusí představovat katastrofu pro informační kapacitu.
A právě to má širší význam pro neurovědu. Pokud chceme pochopit, jak miliony či miliardy neuronů společně reprezentují svět, nestačí analyzovat jen průměrnou aktivitu nebo nejsilnější korelace. Musíme sledovat celé vysokodimenzionální uspořádání jejich společných odchylek.
Mozek se tak možná nechová jako špatně odstíněný počítač, který navzdory rušení nějak funguje. Může být systémem, jehož zdánlivý nepořádek má strukturu, díky níž se užitečná informace v hluku neztratí.
A to je mnohem zajímavější než představa dokonale tichého stroje uvnitř lebky.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Science Advances – Population coding under the scale invariance of high-dimensional noise [2], Kyoto University / Hideaki Shimazaki – publication record and research context [3]. img ai generated
