Для оптимальной работы мозгу необходим баланс между возбуждающими и тормозными нейронами
Ученые из Университета Падуи, Института физики сложных систем Макса Планка и Федеральной политехнической школы Лозанны провели исследование, направленное на изучение роли баланса между возбуждающими и тормозными нейронами в обработке информации мозгом. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, показала, что оптимальная обработка информации достигается, когда активность возбуждающих и тормозных нейронов находится в равновесии.
Исследование было вдохновлено фундаментальным вопросом о том, как структура мозга влияет на его способность обрабатывать информацию. Мозг постоянно интегрирует сенсорные сигналы, и нейроны функционируют не изолированно, а в рамках сложных сетей. Одной из ключевых особенностей этих сетей является баланс между возбуждением и торможением, который наблюдается в различных областях мозга. Ученые задались вопросом, играет ли этот баланс роль не только в стабилизации нейронной активности, но и в оптимизации обработки информации.
Для изучения этого вопроса команда использовала математические и теоретические подходы, включая инструменты теории информации. Они проанализировали модель, описывающую взаимодействие между возбуждающими и тормозными нейронами, и исследовали их реакцию на внешние сигналы.
Результаты показали, что обработка информации наиболее эффективна на грани стабильности, в так называемом критическом состоянии, где активность возбуждающих и тормозных нейронов сбалансирована. Это состояние позволяет нейронным сетям оптимально кодировать информацию, особенно в условиях изменяющихся внешних сигналов.
Исследователи также обнаружили фундаментальный компромисс: сети, оптимизированные для точного кодирования информации в долгосрочной перспективе, могут быть менее чувствительны к быстрым изменениям входных сигналов. Это подчеркивает важность динамического баланса между возбуждением и торможением для эффективной обработки информации.
Работа открывает новые перспективы для изучения нейронных механизмов обработки информации. В будущих исследованиях ученые планируют изучить более сложные структуры связей в мозге, а также влияние динамической связности, которая изменяется под воздействием внешних стимулов и внутренней активности сети. Это может пролить свет на то, как обучаемость и адаптивные свойства нейронных систем влияют на кодирование информации.