С помощью математического моделирования исследовательской группе удалось лучше понять, как достигается оптимальное рабочее состояние человеческого мозга, называемое критичностью. Их результаты означают важный шаг к обработке информации на основе биологических методов и новым высокоэффективным компьютерным технологиям, и они были опубликованы в Scientific Reports.
«В конкретных задачах суперкомпьютеры лучше людей, например, в области искусственного интеллекта. Но они не могут справиться с разнообразными задачами в повседневной жизни — сначала водить машину, потом сочинять музыку и рассказывать истории на ходу». вместе вечером», — объясняет Герман Кольштедт, профессор наноэлектроники. Более того, современные компьютеры и смартфоны по-прежнему потребляют огромное количество энергии.
«Это не устойчивые технологии, в то время как наш мозг потребляет всего 25 ватт в повседневной жизни», — продолжает Кольштедт. Таким образом, целью их междисциплинарной исследовательской сети «Нейротроника: биоинформационные пути» является разработка новых электронных компонентов для более энергоэффективных компьютерных архитектур. С этой целью союз инженерии, наук о жизни и естественных наук исследует, как работает человеческий мозг и как он развивался.
Рядом с хаосом: здесь возможна максимальная производительность
Обработка информации в мозгу основана на сети из примерно 86 миллиардов нейронов. Они передают информацию в виде импульсов напряжения через синапсы и аксоны одновременно или независимо друг от друга («синхронизация»).
Согласно тезису нейробиологии («гипотеза критического мозга»), наш мозг обрабатывает информацию наиболее быстро и энергоэффективно, когда он находится в промежуточном «фазовом переходе». Это промежуточное состояние, так называемая «критичность», также может быть выявлено с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) или электроэнцефалографии (ЭЭГ).
В этом весьма сложном состоянии мозг может особенно чутко и разнообразно реагировать на внешние воздействия, поэтому он всегда стремится достичь этого состояния. «Здесь мозг близок к хаосу: даже небольшие внешние раздражители внезапно вызывают возбуждение целых ансамблей нейронов. Информация распространяется лавинообразно и поэтому может особенно легко передаваться даже в области мозга, которые находятся далеко друг от друга», — объясняет Кольштедт. Это обеспечивает широкий спектр реакций.
Моделирование в искусственной сети
В своей текущей публикации ученые из CAU исследовали, как это состояние критичности возникает в нейронных, а также в искусственных сетях. До сих пор предполагалось, что это «самоорганизованная критичность», за которую ответственны только механизмы мозга. «Однако мы смогли впервые показать, что внешние воздействия, то есть сама среда, также приводят к тому, что это состояние «навязывается» мозгоподобным сетям», — говорит первый автор доктор Петр Фекета, член CRC. 1461 и кафедрой автоматики и техники управления в CAU.
Для этого команда применила математическое моделирование в искусственной сети нелинейных осцилляторов. Подобно нейронам в нейронной сети , эти схемы генерируют периодические импульсы напряжения, которые также могут синхронизироваться. Кроме того, связи между осцилляторами могут меняться. Исследовательская группа смоделировала, как осцилляторы соединяются с течением времени, когда они взаимодействуют с окружающей средой, чтобы решать задачи как можно быстрее и эффективнее.
Сеть неоднократно достигала состояния критичности, аналогичного состоянию мозга. «Это было особенно удивительно, потому что свойство критичности изначально отсутствовало, и мы изначально не стремились к его достижению», — сказал Фекета.
Эволюционная биология: широкий спектр реакций имеет смысл
«С точки зрения эволюционной биологии этот результат вполне понятен. Наша среда настолько разнообразна, что структура и внутренняя динамика нашего мозга устроены таким образом, что состояние критичности обеспечивает максимальный набор решений для широкий спектр задач», — говорит профессор д-р Томас Мёрер, заведующий кафедрой автоматизации и техники управления в CAU.
Таким образом, мозг приспособил свое состояние критичности к влияниям и растущим требованиям постоянно меняющейся среды. «Проще говоря, можно сказать: наш мозг растет вместе со своими задачами — даже больше, чем мы думали раньше», — говорит Кольштедт.
