Нейронное кодирование
Нейронное кодирование представляет собой преобразование сигналов внешней среды и внутренних сигналов организма в паттерны нейронной активности как представления, формирующие модель реальности, пригодную для целенаправленных действий и адаптации, сохраняющую целостность и нормальное функционирование организма. Расшифровка нейронного кода как ключ к пониманию внутренней работы психики в норме и при патологии является центральной задачей нейронауки, поскольку от работы мозга зависит протекание всех жизненных процессов нашего организма.
Нейроны выделяются среди клеток тела своей способностью быстро обрабатывать сигналы (например, свет , звук , вкус , запах , осязание и другие) и передавать информацию о них на большие расстояния и среди обширных нейронных популяций. Мозг является высшим достижением в эволюции естественных информационных технологий с точки зрения скорости и эффективности. Отсюда следует, что из всех схем кодирования наиболее вероятным кандидатом на роль нейронного кода является та, которая наиболее эффективно производит информацию (шаблоны кода).
Нейроны генерируют колебания напряжения, называемые потенциалами действия . Все модели рассматривают потенциал действия как фундаментальный элемент языка мозга. Однако критическим вопросом является подход к этому явлению. Физически потенциалы действия представляют собой непрерывные колебательные процессы, различающиеся по длительности, амплитуде и форме. Нейроны демонстрируют градуированные потенциалы , которые могут обеспечить высокую пропускную способность и эффективность кода. [1] Тем не менее, большинство моделей рассматривают нейронную активность как идентичные дискретные события (всплески). Если пренебречь внутренними параметрами потенциала действия, последовательность спайков можно охарактеризовать просто серией точечных событий по принципу « все или ничего » во времени. [2]Длина межспайковых интервалов также может варьироваться. [3] Но они обычно игнорируются в преобладающих в настоящее время моделях нейронного кода.
Такие теории предполагают, что информация содержится в количестве спайков в конкретном временном окне (частотный код) или их точном времени (временной код). Используют ли нейроны частотное кодирование или временное кодирование, это тема интенсивных дебатов в сообществе нейробиологов, даже несмотря на то, что нет четкого определения того, что означают эти термины. В любом случае, все эти теории являются вариациями модели спайкового нейрона. [4] Статистические методы и методы теории вероятности и стохастические точечные процессы широко применяются для описания и анализа возбуждения нейронов. В некоторых исследованиях утверждается, что они взломали нейронный код [5] [6] [7] и существует несколько крупномасштабных проектов по декодированию мозга. [8][9] Но фактическое чтение и запись нейронного кода остается проблемой, стоящей перед нейронаукой. Проблема в том, что модели импульсных нейронов противоречат фактической эффективности и скорости мозга. В лучшем случае они охватывают только часть наблюдаемых явлений и не могут объяснить другие. В последнее время появились модели, отвечающие на вопросы, неразрешимые в рамках парадигм, рассматривающих потенциалы действия как аналогичные спайки. [ нужна ссылка ]
Стандартный подход к изучению нейронного кода заключается в поиске корреляции между входящим сигналом и ответом нейрона и обратного процесса восстановления сигнала из наблюдаемой нейронной активности. Однако без модели кода такой анализ подобен попытке прочитать или написать текст без знания грамматики. Получается некий замкнутый круг: чтобы прочитать код, нужно его знать, а чтобы его познать, нужно его прочитать. Однако любой процесс расшифровки неизвестного кода основан на поиске определенных закономерностей и выявлении их соотнесенности с зашифрованным сообщением. Другими словами, чтобы прочитать нейронный код, нам нужно найти соответствие между паттернами параметров сигнала и нейронной активностью.
