Скорость реакции нервной цепи не зависит от ее размера

Нервная цепь состоящая из десяти нейронов откликнется на внешнее раздражение через такое же время, что и имеющая сотню нейронов. И всё благодаря системе ограничений, которые накладываются на скорость накопления возбуждения отельными нейронами и их общение друг с другом.

Работу нервной цепи обычно описывают скоростью реакции: это один из краеугольных параметров любой "науки о мозге", будь то психология или нейробиология. С помощью скорости реакции удалось построить весьма эффективные модели, объясняющие различия в поведении индивидуума: в таких моделях скорость отклика зависит от накопления единичных раздражителей, информационных единиц. То есть мозг, грубо говоря, работает аккумулятором данных, и когда их количество превосходит некий порог, запускается отклик. Сидя в кресле, мы можем думать, что нам нужно сделать то-то и то-то, и когда количество (или навязчивость) этих "то-то" достигает некоего "критического" уровня, мы с кресла встаём. А различия в скорости реакции можно объяснить тем, насколько быстро и специфично мозг собирает информацию для того или иного действия.

С другой стороны, нейробиологи заметили, что психологическая скорость реакции сопоставима с поведением отдельного нейрона. Активация нервной клетки тоже происходит после преодоления определённого порога раздражения, которое может приходить к ней от соседних клеток, и работу нервной цепи, казалось бы, тоже можно было охарактеризовать скоростью реакции. Но в нервной цепи может быть много, очень много нейронов; точных цифр пока никто не знает, однако, по примерным оценкам, в глазном движении могут участвовать приблизительно 100 тысяч нервных клеток. Вопрос в том, как этот огромный коллектив нейронов аккумулирует сигнал, чтобы потом выдать результат - в полном соответствии с теорией накопления?

В случае, если система нейронов ждёт, чтобы каждый её член накопил достаточно входящих сигналов, то скорость реакции будет тем меньше, чем больше сеть. Если же активация нейронного ансамбля определяется только каким-то одним "пусковым" нейроном, то большая сеть будет отзываться быстрее, чем маленькая, так как в большой на "пусковой" нейрон будет приходить больше сигналов.

Другой вопрос - координация нейронного ансамбля. Чем сильнее скоординирована система, тем больше она похожа на единый информационный накопитель. То есть в пределе много нейронов будут работать как один, накапливая раздражение и реагируя на него, подобно одной клетке. Но насколько глубокой должна быть координация нейронов в ансамбле, чтобы все они работали в унисон?

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи из Университета Вандербильта (США) разработали виртуальную модель, в которой можно было сопоставить поведение разного количества информационных аккумуляторов и интенсивность впитывания ими входящих сигналов. Модель оказалась весьма ресурсоёмкой: Джеффри Шеллу (Jeffrey Schall) и его коллегам пришлось ограничиться сетью в 1 000 виртуальных нейронов, большего количества не выдерживал даже сверхмощный компьютер.

Исследователей интересовало, в какой момент происходит запуск ответной реакции, что является тем последним камешком, который вызывает обвал. Происходит ли это, когда "камешек" падает на какой-то один нейрон, или же такие "камешки" должны упасть на всех участников цепи? Оказалось, что ни в первом, ни во втором случае скорость реакции никак не соотносится с тем, что можно наблюдать в настоящей нервной системе. Такой же отрицательный результат учёные получили, когда попытались сделать разные нейроны слишком по-разному накапливающими раздражение.

Однако реальных значений скорости реакции всё же можно было добиться, более или менее уравняв все нейроны по способности накапливать информационные "камешки" и снабдив всю систему ограничительными правилами, которые регулировали бы работу нейронов так, чтобы они выступали в унисон. То есть входящее раздражение падает на нейронный ансамбль так, как будто его воспринимает не набор из ста, тысячи или миллиона нейронов, а как один нейрон. На практике это означает, что время реакции не зависит от размера нейронной цепи: в ней может быть 10 или 1 000 нейронов, но время отклика у них всё равно будет примерно одинаковым. И то же самое, очевидно, верно и для более масштабных цепей.

При этом, конечно же, характеристики нейронов в 10-клеточной и в 1 000-клеточной цепи будут различаться, как и правила, которые ограничивают их общение друг с другом. Мы возьмём на себя смелость сравнить всё это с двумя системами - из 10 и из 1 000 сообщающихся сосудов. Как сделать так, чтобы одним и тем же количеством воды наполнить и ту и другую? Очевидно, уменьшив размер сосудов в той системе, где их больше. Разумеется, тут будет играть роль, во сколько кувшинов мы одновременно льём воду, какого размера перемычки между ними и т. д., но дальше мы фантазировать не будем.

Так или иначе, исследователям удалось теоретически согласовать данные психологии и нейробиологии, и теперь стоит дождаться экспериментов, направленных на проверку именно этих теоретических данных.

Результаты исследования опубликованы в журнале PNAS.

Комментарии: