Čo majú spoločné nové pesničky, cesta do kina či recept na višňový koláč? Všetky tieto informácie sa ukladajú do mozgu ako spomienky. Ako však mozog rozhoduje o tom, čo si zapamätať a na čo jednoducho zabudnúť? A podľa akých pravidiel spomienky v krátkodobej a dlhodobej pamäti archivuje? Najnovší výskum neurovedcov z Kalifornskej univerzity v San Diegu poodhalil detaily ako môže mozog spracovávať informácie. Výskum mení doterajšie predstavy o tom, ako sa mozog učí. Môže ma tiež pozitívny vplyv na úpravu liečby duševných porúch ako aj vývoj umelej inteligencie.
Synapsy ako mozgoví kuriéri
V ľudskom mozgu sa nachádza približne 86 miliárd neurónov, teda nervových buniek, ktoré medzi sebou neustále komunikujú prostredníctvom elektrických impulzov. Tieto impulzy sa prenášajú cez synapsy, čo sú drobné spojenia medzi neurónmi. Pri učení a ukladaní nových informácií sa niektoré synapsy posilňujú, iné naopak slabnú. Tento jav sa nazýva synaptická plasticita a je základom učenia a pamäti.
Vedci už dlho tušili, že práve v synapsách prebieha kľúčový jav, ktorý umožňuje ukladanie nových informácií. Doteraz ale nebolo jasné, ako mozog vyberá, ktoré spojenia má posilniť a ktoré nie – tento problém sa v odbornej literatúre nazýva problém priraďovania zásluh (ang. credit assignment problem).
Mozog je ešte rafinovanejší, než si vedci mysleli
Výskumníci pod vedením Takakiho Komiyamu použili technológiu dvojfotónového zobrazovania na sledovanie aktivít synapsií v mozgu myší počas učenia sa novej úlohy. Ich zistenia ich prekvapili. Podľa doterajšieho konsenzu platilo, že mozog sa riadi takzvaným Hebbovým pravidlo, podľa ktorého ak dve bunky často komunikujú, ich spojenie sa posilní. Nový výskum však ukazuje, že toto pravidlo platí len pre vybrané synapsy. Iné časti toho istého neurónu sa totiž riadia úplne inými pravidlami, a niektoré dokonca posilňujú alebo oslabujú svoje spojenia nezávisle od aktivity neurónu ako celku.
Jednoducho povedané, neurón sa správa ako multifunkčný operátor – v rôznych častiach svojho „tela“ spracúva informácie podľa rôznej logiky. Nie je teda obmedzený jedným pravidlom, ale dokáže naraz vykonávať viacero výpočtových úloh.
Ako mravenisko, kde každý pozná len svoju úlohu
Autori výskumu prirovnávajú tento jav k mravenisku. Každá synapsa má prístup len k „lokálnym“ informáciám, no napriek tomu všetky spolu umožňujú vznik komplexného správania. Tento elegantný mechanizmus mozgu by mohol slúžiť ako inšpirácia pre budúcnosť umelej inteligencie.
Väčšina dnešných neurónových sietí, ktoré poháňajú systémy umelej inteligencie, funguje na princípe jednotného pravidla učenia sa pre celé siete. Ak by sa do AI systémov podarilo implementovať podobnú diverzitu „pravidiel“ ako má ľudský mozog, mohli by byť nielen efektívnejšie, ale aj schopnejšie riešiť zložitejšie úlohy.
Dopad na medicínu aj technológie
Okrem inšpirácie pre AI prinášajú tieto zistenia aj nové možnosti v oblasti duševného zdravia. Mnohé ochorenia mozgu od depresie až po Alzheimerovu chorobu sú spojené s narušením synaptických spojení. Ak vedci lepšie pochopia, ako mozog prirodzene funguje pri učení, budú môcť nájsť nové spôsoby, ako tieto poruchy liečiť. Podľa Williama Wrighta z výskumného tímu ide len o začiatok: „Naša práca poskytuje nový základ pre pochopenie toho, ako mozog funguje v bežných podmienkach – čo je nevyhnutné pre to, aby sme zistili, čo presne sa vychýli pri rôznych poruchách.“