Hałas neuronowy pomaga w nauce. Bezpłatne wiadomości z biblioteki technicznej

NOWOŚCI NAUKI I TECHNOLOGII, NOWOŚĆ W ELEKTRONIKI
Bezpłatna biblioteka techniczna / Kanał wiadomości

Szum neuronowy pomaga w nauce

30.03.2015

Dwadzieścia lat temu neuronaukowcy ze Stanford odkryli dziwną aktywność szumu w niektórych neuronach mózgu: reagowały na bodźce, które wydawały się nie mieć z nimi nic wspólnego. A taka aktywność pojawiła się właśnie wtedy, gdy mózg podjął decyzję. Sam eksperyment wyglądał następująco: zwierzęta doświadczalne musiały określić, jak poruszają się kropki na ekranie, od prawej do lewej lub od lewej do prawej; w przypadku poprawnej odpowiedzi przyznano nagrodę. Za pomocą takiego modelu można badać, jakie procesy w mózgu towarzyszą tworzeniu kategorii. Kategoryzacja obiektów i zjawisk jest jedną z najogólniejszych cech psychiki leżącej u podstaw uczenia się i naprawdę byłoby interesujące wiedzieć, co dzieje się w tym momencie w mózgu. W tym przypadku, jak łatwo zrozumieć, konieczne było rozróżnienie dwóch klas obiektów: poruszających się w jednym kierunku i poruszających się w przeciwnym kierunku.

W efekcie udało się znaleźć grupę neuronów, które reagują na ruch, a wśród nich znalazły się te, które w momencie podejmowania decyzji stały się szczególnie aktywne. Jednak ich aktywność wyglądała tak, jakby niektóre komórki krzyczały „od prawej do lewej!” w odpowiedzi na punkt, podczas gdy inne krzyczały „od lewej do prawej!” w odpowiedzi na ten sam punkt, niezależnie od tego, gdzie faktycznie porusza się punkt. Poziom szumu został zredukowany za pomocą nagrody za poprawną odpowiedź - dostroiło to neurony, czyniąc je bardziej wybrednymi i mniej hałaśliwymi, tak że zaczęły reagować głównie tylko na punkty jednej, "swojej" kategorii. Szczególnie dziwne było to, że szum neuronowy w ogóle nie występował w tych obszarach kory mózgowej, które zwykle kojarzą się z podejmowaniem decyzji.

Dlaczego neurony są hałaśliwe w „nie-rdzeniowej” części mózgu, udało nam się częściowo dowiedzieć się dopiero teraz, za pomocą modelu komputerowego opracowanego przez Tatianę Engel i jej współpracowników; wyniki ich pracy są publikowane w Nature Communications. Model naśladował pracę obwodów neuronowych, które łączą obszary czuciowe mózgu z obszarami kategoryzującymi. Wirtualne neurony „obserwowały” punkty, które poruszały się w różnych kierunkach i które należało podzielić na te same dwie klasy, „prawą” i „lewą” – jak w oryginalnym eksperymencie ze zwierzętami.

Symulowany obwód neuronowy, w przeciwieństwie do prawdziwego, może zostać pozbawiony zdolności do wytwarzania hałasu, co zrobili naukowcy. Okazało się jednak, że bez neuronowego szumu towarzyszącego wyborowi tworzenie kategorii jest niemożliwe. Innymi słowy, aby w umyśle powstała klasa punktów poruszających się od prawej do lewej, mózg musi dokonać wyboru w „hałaśliwych” warunkach, kiedy niektóre neurony będą jednocześnie „agitować” za błędną odpowiedzią. Jeśli zignorujemy punkty i wybierzemy bardziej realistyczny przykład, wyobraź sobie, że każdego ranka wybierasz między filiżanką kawy a filiżanką herbaty. Każdego dnia dokonujesz wyboru przez tydzień, dwa tygodnie, miesiąc, sześć miesięcy i w końcu dochodzisz do wniosku, że poranna kawa jest dokładnie tym, czego potrzebujesz. Ale jeśli nagle zdarzy się, że twój mózg dokona wyboru bez żadnego hałasu, to po prostu nie stworzysz związku między porannymi godzinami a kawą, sama koncepcja porannej kawy będzie nieobecna.

Oczywiście istnieje tu wielka pokusa, by zinterpretować szum neuronowy jako „wątpliwość” lub „konieczność rozważenia wszystkich możliwych rozwiązań”. Jednak takie sformułowania należą raczej do dziedziny filozofii, której trudno do tej pory skorelować z konkretnymi zjawiskami neurofizjologicznymi. Równie dobrze może się jednak okazać, że nowe dane w przyszłości pozwolą na stworzenie pewnych metod sprzętowych poprawiających zdolności poznawcze – poprzez zarządzanie szumem neuronowym. Ale na razie okaże się, skąd tak naprawdę pochodzi: czy to działy sensoryczne go generują, czy też jest wytwarzane przez inne obszary mózgu, które są bezpośrednio związane z podejmowaniem decyzji, czy też zarówno sensoryczne, jak i poznawcze. zaangażowane są tutaj departamenty.

<< Powrót: xCORE-Audio procesory dźwięku 30.03.2015

>> Naprzód: Zdalne skanowanie linii papilarnych 29.03.2015

Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:

Udowodniono istnienie reguły entropii dla splątania kwantowego 09.05.2024

Mechanika kwantowa wciąż zadziwia nas swoimi tajemniczymi zjawiskami i nieoczekiwanymi odkryciami. Niedawno Bartosz Regula z Centrum Obliczeń Kwantowych RIKEN i Ludovico Lamy z Uniwersytetu w Amsterdamie przedstawili nowe odkrycie dotyczące splątania kwantowego i jego związku z entropią. Splątanie kwantowe odgrywa ważną rolę we współczesnej nauce i technologii informacji kwantowej. Jednak złożoność jego struktury utrudnia zrozumienie go i zarządzanie nim. Odkrycie Regulusa i Lamy'ego pokazuje, że splątanie kwantowe podlega zasadzie entropii podobnej do tej obowiązującej w układach klasycznych. Odkrycie to otwiera nowe perspektywy w dziedzinie informatyki i technologii kwantowej, pogłębiając naszą wiedzę na temat splątania kwantowego i jego powiązania z termodynamiką. Wyniki badań wskazują na możliwość odwracalności transformacji splątania, co mogłoby znacznie uprościć ich zastosowanie w różnych technologiach kwantowych. Otwarcie nowej reguły ... >>

Mini klimatyzator Sony Reon Pocket 5 09.05.2024

Lato to czas relaksu i podróży, jednak często upały potrafią zamienić ten czas w udrękę nie do zniesienia. Poznaj nowość od Sony - miniklimatyzator Reon Pocket 5, który obiecuje zapewnić użytkownikom większy komfort lata. Sony wprowadziło do oferty wyjątkowe urządzenie – miniodżywkę Reon Pocket 5, która zapewnia schłodzenie ciała w upalne dni. Dzięki niemu użytkownicy mogą cieszyć się chłodem w dowolnym miejscu i czasie, po prostu nosząc go na szyi. Ten mini klimatyzator wyposażony jest w automatyczną regulację trybów pracy oraz czujniki temperatury i wilgotności. Dzięki innowacyjnym technologiom Reon Pocket 5 dostosowuje swoje działanie w zależności od aktywności użytkownika i warunków otoczenia. Użytkownicy mogą łatwo regulować temperaturę za pomocą dedykowanej aplikacji mobilnej połączonej przez Bluetooth. Dodatkowo dla wygody dostępne są specjalnie zaprojektowane koszulki i spodenki, do których można doczepić mini klimatyzator. Urządzenie może och ... >>

Energia z kosmosu dla Starship 08.05.2024

Wytwarzanie energii słonecznej w przestrzeni kosmicznej staje się coraz bardziej wykonalne wraz z pojawieniem się nowych technologii i rozwojem programów kosmicznych. Szef startupu Virtus Solis podzielił się swoją wizją wykorzystania statku kosmicznego SpaceX do stworzenia orbitalnych elektrowni zdolnych zasilić Ziemię. Startup Virtus Solis zaprezentował ambitny projekt stworzenia elektrowni orbitalnych przy użyciu statku Starship firmy SpaceX. Pomysł ten mógłby znacząco zmienić dziedzinę produkcji energii słonecznej, czyniąc ją bardziej dostępną i tańszą. Istotą planu startupu jest obniżenie kosztów wystrzeliwania satelitów w przestrzeń kosmiczną za pomocą Starship. Oczekuje się, że ten przełom technologiczny sprawi, że produkcja energii słonecznej w kosmosie stanie się bardziej konkurencyjna w stosunku do tradycyjnych źródeł energii. Virtual Solis planuje budowę dużych paneli fotowoltaicznych na orbicie, wykorzystując Starship do dostarczenia niezbędnego sprzętu. Jednak jedno z kluczowych wyzwań ... >>

Nowa metoda tworzenia potężnych akumulatorów 08.05.2024

Wraz z rozwojem technologii i coraz większym wykorzystaniem elektroniki, kwestia tworzenia wydajnych i bezpiecznych źródeł energii staje się coraz pilniejsza. Naukowcy z Uniwersytetu w Queensland zaprezentowali nowe podejście do tworzenia akumulatorów cynkowych o dużej mocy, które mogą zmienić krajobraz branży energetycznej. Jednym z głównych problemów tradycyjnych akumulatorów wodnych było ich niskie napięcie, co ograniczało ich zastosowanie w nowoczesnych urządzeniach. Ale dzięki nowej metodzie opracowanej przez naukowców udało się pokonać tę wadę. W ramach swoich badań naukowcy zajęli się specjalnym związkiem organicznym – katecholem. Okazało się, że jest to ważny element, który może poprawić stabilność akumulatora i zwiększyć jego wydajność. Takie podejście doprowadziło do znacznego wzrostu napięcia akumulatorów cynkowo-jonowych, czyniąc je bardziej konkurencyjnymi. Zdaniem naukowców takie akumulatory mają kilka zalet. Mają b ... >>

Zawartość alkoholu w ciepłym piwie 07.05.2024

Piwo, jako jeden z najpopularniejszych napojów alkoholowych, ma swój niepowtarzalny smak, który może zmieniać się w zależności od temperatury spożycia. Nowe badanie przeprowadzone przez międzynarodowy zespół naukowców wykazało, że temperatura piwa ma znaczący wpływ na postrzeganie smaku alkoholu. Badanie prowadzone przez naukowca zajmującego się materiałami Lei Jianga wykazało, że w różnych temperaturach cząsteczki etanolu i wody tworzą różnego rodzaju skupiska, co wpływa na postrzeganie smaku alkoholu. W niskich temperaturach tworzą się bardziej piramidalne skupiska, co zmniejsza ostrość smaku „etanolu” i sprawia, że napój ma mniej alkoholowy smak. Wręcz przeciwnie, wraz ze wzrostem temperatury grona stają się bardziej łańcuchowe, co skutkuje wyraźniejszym alkoholowym posmakiem. To wyjaśnia, dlaczego smak niektórych napojów alkoholowych, takich jak baijiu, może zmieniać się w zależności od temperatury. Uzyskane dane otwierają nowe perspektywy dla producentów napojów, ... >>

Przypadkowe wiadomości z Archiwum

Nowa elektronika wytrzyma promieniowanie i ciepło 28.06.2012

Inżynierowie z Uniwersytetu Utah opracowali mikroskopijne urządzenia mechaniczne (MEMS), które są w stanie wytrzymać najsilniejsze promieniowanie radioaktywne i ciepło. Zdaniem naukowców stworzone przez nich urządzenia mogą sterować robotami lub komputerami nawet wewnątrz reaktora lub w przestrzeni kosmicznej.

Promieniowanie jonizujące szybko uszkadza tradycyjną elektronikę, więc trzeba zastosować liczne nadmiarowe obwody i potężne zabezpieczenia, jak to miało miejsce np. w robotach, które pracowały w awaryjnej elektrowni jądrowej Fukushima. Ale nawet chronione roboty wysłane do monitorowania uszkodzonych reaktorów przestały działać po kilku godzinach. Chodzi o to, że potężne promieniowanie jonizujące przebija się przez „dodatkowe” kanały przewodzące w półprzewodnikach, co wyłącza elektronikę.

Po raz pierwszy naukowcom udało się opracować unikalną technologię, która nadal działa w obecności nawet najsilniejszego promieniowania jonizującego. Nowe urządzenia to elementy logiczne 25x25 mikronów, które wykonują najprostsze operacje logiczne: „włącz” lub „wyłącz”. Mikroskopijne urządzenia mechaniczne mogą nawet pracować w reaktorze jądrowym

Podczas eksperymentów nowe urządzenia zanurzono na dwie godziny w rdzeniu uniwersyteckiego reaktora, a MEMS działał dalej, jakby nic się nie stało. MEMS nie zostały zniszczone przez promieniowanie jonizujące, ponieważ nie wykorzystują kanałów półprzewodnikowych. Są to proste mikroskopijne przełączniki z elektrodami wolframowymi, które stykają się ze sobą i zamykają lub otwierają obwód.

Pod względem „tradycyjnych” zastosowań MEMS mają pewne wady, na przykład są 1000 razy wolniejsze od elektroniki krzemowej, a ponadto mniej trwałe (ze względu na obecność ruchomych części). Jednak jeśli chodzi o ekstremalne warunki pracy, MEMS nie ma sobie równych. Tak więc podczas eksperymentów mikroskopijne urządzenia mechaniczne pracowały godzinami w próżni w temperaturze 277 stopni Celsjusza, a nawet w rdzeniu 90-kW reaktora badawczego. Nawet najbardziej niezawodna i chroniona elektronika krzemowa w takich warunkach uległa awarii po kilku minutach. W normalnych warunkach MEMS działał przez około 2 miesiące, wykonując ponad miliard cykli bez awarii. Obecnie naukowcy planują poprawić tę liczbę milion razy.

Zastosowanie MEMS otwiera zupełnie nowe możliwości monitorowania pracy elektrowni jądrowych, silników spalinowych oraz tworzenia sond, które mogą penetrować najniebezpieczniejsze miejsca bez konieczności stosowania potężnych i ciężkich systemów ochronnych.

Zobacz całość Archiwum wiadomości z nauki i techniki, nowa elektronika

Wszystkie języki tej strony

Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn