Исследователи FORTH-IMBB разработали инновационные вычислительные инструменты для раскрытия роли дендритов - сложных структур нейронов мозга, играющих ключевую роль в обработке информации. Новое программное обеспечение позволяет включать важные свойства дендритов в модели нейронных сетей. Эта работа имеет важное применение как в понимании функций мозга, так и в области искусственного интеллекта.

Расшифровка секретов мозга считается одним из самых важных научных начинаний 21 века. Лучшее понимание механизмов, лежащих в основе работы мозга, будет способствовать исследованиям в области лечения неврологических заболеваний, а также в области искусственного интеллекта, который стал неотъемлемой частью нашего общества.

В недавней публикации в журнале Nature Communications команда доктора Панайоты Пойрази, научного руководителя Института молекулярной биологии и биотехнологии (IMBB) Фонда исследований и технологий Хелласа (FORTH), представляет новую программную основу, которая позволяет включить дендриты и их ключевые механизмы в крупномасштабные модели нейронных сетей.

Дендриты - это разветвленные отростки нервных клеток, которые морфологически напоминают ветви дерева (отсюда и их название). Их основная функция - принимать информацию от других нейронов (в виде электрических или химических сигналов) и передавать ее в основное тело клетки. В течение десятилетий после открытия дендритов их роль в обработке информации оставалась неизвестной из-за технологических ограничений в исследованиях.

Но последние исследования показывают, что дендриты обладают множеством механизмов, которые позволяют им выполнять сложные математические вычисления независимо от основного нейрона. В то же время дендриты не менее важны для пластичности нервной системы, то есть способности мозга изменяться и адаптироваться к окружающей среде. Этот процесс играет доминирующую роль в сложных функциях мозга, таких как обучение, память, принятие решений и познание.

Хотя сейчас мы в значительной степени понимаем вклад дендритов в поведение отдельного нейрона, их влияние на уровне сетей или целых областей мозга остается неизученным. Небольшое количество исследований коррелирует сложность дендритов с различными когнитивными маркерами, и известно, что дендриты уменьшаются в процессе старения или при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера. Кроме того, исследования в области ИИ уже извлекли пользу из использования дендритных механизмов в качестве источника вдохновения для разработки новых улучшенных и более эффективных алгоритмов. Тем не менее, остается много открытых вопросов, и команда доктора Пойрази надеется, что разрабатываемые ими инструменты облегчат работу тех, кто пытается понять роль дендритов в работе мозга.

В данном исследовании представлена новая программная основа, которая позволяет даже наивным пользователям строить модели нейронов с дендритами простым и эффективным способом, сводя к минимуму сложность вычислений. Такие вычислительные модели помогают выяснить роль дендритов в сложных функциях мозга, а также облегчают их включение в нейроморфные устройства - тип архитектуры нейроинспирированного искусственного интеллекта.

Работа проводилась под руководством Михалиса Пангалоса, кандидата наук на факультете биологии Университета Крита, в сотрудничестве с доктором Спиросом Чавлисом, постдокторским исследователем IMBB, под руководством доктора Пойрази.