В программировании и компьютерных науках мы постоянно сталкиваемся со степенями двойки — будь то размеры массивов, адресация памяти или битовые флаги. Но как это соотносится с работой мозга?
Ещё Дональд Хебб в 1949 году предложил идею о «нейронных ансамблях» — группах клеток, которые активируются совместно и формируют узнаваемые шаблоны, отвечающие за память и образы. Но по какому принципу мозг выбирает эти группы, долго оставалось неясным.
Около десяти лет назад появилось предположение, что при организации нейронных сетей действует простая комбинаторная логика на основе степеней двойки. Согласно этой гипотезе, количество нейронных «клик» (групп) определяется формулой:
N = 2i − 1,
где i — число независимых входных сигналов (различимых признаков), а N — общее число необходимых групп нейронов, чтобы покрыть все их комбинации.
Например, при i = 4 мозг должен формировать 24 − 1 = 15 ансамблей:
- 4 группы, реагирующие на каждый из сигналов по отдельности;
- 6 ансамблей для всех пар комбинаций (C(4,2) = 6);
- 4 группы для трёх сигнальных сочетаний (C(4,3) = 4);
- 1 «универсальная» группа, активирующаяся при появлении всех четырёх входов одновременно.
Сумма 1+4+6+4+1 = 16, однако пустая комбинация (0 из 4) не учитывается, поэтому всего 15 паттернов. Такая «пирамида» от узкого к общему и должна наблюдаться в нервных сетях.
Шесть ключевых предсказаний
- Универсальность когнитивных алгоритмов: одинаковая логика должна применяться при разных типах стимулов — от вкусов до эмоций и социальных сигналов.
- Анатомическая вездесущность: принцип 2i−1 проявится в различных отделах мозга.
- Исключения среди модуляторов: нейроны, выделяющие дофамин и другие модификаторы, могут вести себя проще.
- Врожденность: схема специфичных→общих ансамблей заложена генетически, а не формируется лишь в процессе обучения.
- Вертикальная организация в коре: разные слои коры должны содержать разные пропорции специфичных и общих групп.
- Эволюционная консервативность: тот же алгоритм должен встречаться у разных видов — от грызунов до человека.
Эксперименты с пищевыми стимулами
В ампилдоподобной миндалине (BLA) мышей регистрировали активность при подаче четырёх лакомств: стандартный корм, сахар, рис и сгущёнка. Три из них были для мышей новыми, чтобы исключить влияние прежнего опыта.
- Группа, реагирующая только на один тип пищи.
- Ансамбли, активирующиеся при любых парах — C(4,2)=6 вариантов.
- Группы для троек стимулов — C(4,3)=4.
- Единая «обобщённая» группа на все четыре угощения.
В результате без единого пропуска выявились ровно 15 кластеров — мозг заранее подготовил нейроны под каждую из всех возможных комбинаций.
Социальные сигналы в MeA
В медиальной миндалине (MeA) мышей подвергали четырём типам социального взаимодействия: «лицом к лицу» и «сзади» с самкой, а затем с самцом. И снова сформировались 15 ансамблей нейронов, от «реагирую только на женскую морду» до «любая социальная встреча».
Эмоции страха в ACC
В передней поясной коре (ACC) мышей последовательно испугали: Airpuff, «тряскашка», кратковременный подъём в лифте и лёгкий шок лапкам. Анализ 520 нейронов показал точно 15 типов реагирования, вплоть до генерального ответа на все виды испуга.
Подтверждены первые два предсказания: единая перестановочная организация ансамблей при разных стимулах и в разных областях.
Поведение модуляторов: дофаминовые нейроны VTA
При тех же четырёх пугающих сигналах в VTA регистрировали дофаминовые клетки. Оказалось, что из ~36 нейронов лишь 2–3 паттерна: большинство подавляли активность при любом неприятном сигнале, часть — усиливали, но ни одной узкоспецифичной группы. Логика 2i−1 здесь не проявилась.
Врожденная схема без обучения
Генетически модифицированные мыши с отключёнными NMDA-рецепторами не способны к долговременной пластичности, но даже у таких «вечных новорождённых» при тех же экспериментах формировались все 15 типов ансамблей. Это доказывает врождённость перестановочной структуры.
Вертикальная организация коры
В ассоциативных областях коры (ретросплениальная RSC у мышей и прелимбическая PrL у хомяков) сравнили поверхностные слои L2/3 и глубокие L5/6. В L2/3 преобладали узкоспецифичные нейроны, а в L5/6 — обобщённые паттерны.
В верхних слоях распределение близко к случайному (специфичные детекторы), а в глубоких — упорядочено для надёжного обобщения и передачи сигналов подкорковым структурам.
Эволюционная масштабируемость
Даже примитивный модуль из трёх нейронов реализует идею: два детектора и сочетание обоих (22−1=3). С ростом мозга эволюция добавляла такие модули, обеспечивая модульность, иерархичность и масштабируемость функций.
Таким образом, мозг сочетает различение деталей, формирование категорий и обобщение, обеспечивая гибкость и надёжность работы нервных сетей.
