Нейробиологи раскрыли геометрию нейронного информационного потока

Группа ученых из Чехии и Японии выдвинули гипотезу, что мы можем понять работу мозга не только путем подсчета спайков, или пиковых электрических разрядов на ЭЭГ. Вместо этого мы должны отслеживать геометрию распределения вероятностей по мере их развития во времени, https://dailyneuron.com/unlocking-geometry-neural-informatio... Daily Neuron.

Представьте себе электрическую активность группы нейронов в виде облака дыма, движущегося через аэродинамическую трубу. По мере его движения с ним происходят два разных процесса. Во-первых, облако может растекаться, становясь тоньше и шире. Во-вторых, ветер может сдувать его в стороны, не меняя размера облака.

Авторы исследования описывают эти два типа движений посредством информационной геометрии. По их мнению, понимание того, как преобразуются эти распределения, — центральная задача вычислительной нейробиологии. Для ее решения они разработали систему, которая рассматривает эти преобразования как градиентные потоки.

Такой подход разбивает данные на два компонента. Первый — это энтропия. В данном контексте энтропия означает распространение облака дыма. Она расширяет дисперсию распределения вероятностей в сторону неопределенности или гибкости. Второй компонент — ожидание. Оно действует подобно ветру, меняющему положение облака. Оно смещает среднее значение распределения. Это движение в сторону стабильности или конкретного прогноза.

Прелесть этой системы заключается в ее геометрической точности. Исследование показывает, что для центрированных симметричных распределений эти две силы ортогональны, то есть, действуют независимо друг от друга. Другими словами, мозг может увеличивать «распространение» сигнала, не меняя его «направления». Эта независимость позволяет отделять шум от сигнала способами, недоступными традиционным метрикам, например, причинностью по Грейнджеру.

Исследователи применили эту концепцию к реальным биологическим данным. Они проанализировали непрерывные записи визуализации кальция зрительной коры мозга пяти мышей. Зрительная кора — идеальный полигон для экспериментов. Ее участки тесно взаимосвязаны и функционально специализированы.

Наблюдая за ними, ученые выявили последовательную двунаправленную трансформацию между двумя областями. Что предполагает наличие надежного цикла коммуникации, в котором информация преобразуется. Чтобы точно описать эту динамику, они использовали модель преобразования смешанного потока, математический инструмент, который объединяет силы распространения (энтропию) и смещения (ожидание) для прогнозирования эволюции сигналов.

Исследователи обнаружили, что могут предсказывать изменения, просто переоценивая плотности вероятности. Это подтверждает, что мозг работает с высокой статистической сложностью. Он действует не как простой коммутатор, а как сложная система прогнозирования, постоянно вычисляющая вероятности.

Исследование устраняет разрыв между абстрактной теорией информации и wetware биологии. Результаты тесно согласуются с «гипотезой эффективного кодирования», утверждающей, что нейронные системы адаптируют свои реакции к статистической структуре окружающего мира.

Процесс формирования мозга часто сравнивают со строительством здания. Считается, что сначала закладываются глубокие слои, а затем верхние, и все это в четкой эмбриональной последовательности. Новое https://hightech.plus/2025/11/16/mozg-formiruetsya-sovsem-ne... ставит под сомнение эту устоявшуюся точку зрения.