Физики Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) исследовали влияние шума (мешает свободной передаче информации) на работу нейронных сетей внутри организма. В итоге выяснилось, что воздействие шума может изменить состояние системы. Однако предсказать, к чему именно это приведет, пока удается не всегда. Тем не менее полученные данные помогут не только улучшить работу искусственных нейронных сетей, но и понять патологические состояния мозга. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№ 16-11-10098).
Нейронные сети — системы из связанных между собой элементов, встречаются практически во всех областях, выполняют самые различные задачи. Их природный прототип отвечает за все наши мыслительные процессы. Наиболее распространенные — осцилляторные нейронные сети (в мозге) состоят из колеблющихся (осциллирующих) элементов. Процессы внутри таких систем могут быть предсказуемыми или же случайными — тогда сеть называют стохастической.
Гарантий, что система будет слаженно работать всегда, нет. На нее могут влиять внешние шумы — колебания различной природы (громкий звук, микроволновые излучения, порывы ветра и т.д.), способные изменить динамику работы нейронной сети. Например, в мозге функции элементов системы обусловлены активностью ионных каналов, которые открываются и закрываются в ответ на определенные сигналы. Они пропускают или блокируют поток ионов. Но всегда есть вероятность, что канал может сработать не «в такт» или в процесс взаимодействия ионов вмешается шум. В зависимости от чувствительности система может продолжить работать в обычном режиме, сбиться или вовсе изменить свою динамику.
Всего насчитывается около 40 видов нейронной синхронизации. К примеру, синфазная и противофазная синхронизация играет основную роль в том, как наш мозг будет функционировать. Из-за того что процессы в таком взаимодействии могут быть случайными, динамика колебаний в таких системах очень сложная. На процесс синхронизации также могут влиять серьезные заболевания и мозговые нарушения, например, болезнь Паркинсона, Альцгеймера, эпилепсия, тремор.
Чувствительность систем к случайным воздействиям физики УрФУ проанализировали с помощью матмодели. Они изучили три основных варианта нейронной связи и влияние шума на них: равновесные подсистемы, периодические осцилляторы и хаотические осцилляторы. В итоге выяснили, что в первой ситуации случайный шум, который «услышит» система, может разрушить синхронизацию в ней. Во втором варианте система сохраняет динамику даже под влиянием шума. В третьем — с усилением связи хаотические осцилляции могут трансформироваться в регулярные периодические.
«В нашей модели исследовались аддитивный шум и его влияние на нейронные системы. Этот шум проходит через каналы в нейронных сетях. Но есть также мультипликативный шум, мы не можем утверждать, какое именно влияние он будет оказывать на нейронные связи и к какой динамике приводить в ситуации, когда к внутреннему шуму будет примешиваться и внешний. Было бы очень интересно сделать эту тему предметом будущих работ», — рассказывает профессор кафедры теоретической и математической физики УрФУ Лев Ряшко.
Информация предоставлена пресс-службой Уральского федерального университета
Источник фото: https://urfu.ru/ru/
