У запаха есть своя «удивительно простая» арифметика

Алгоритм оказался очень простым для интерпретации. Он использовал два функциональных типа нейронов: есть нейроны ВКЛ, которые активируются при наличии одоранта, и нейроны ВЫКЛ, которые молчат, когда присутствует одорант, но активируются после прекращения представления запаха.

Запах чашечки кофе. Понюхайте его внутри или снаружи; лето или зима; в кофейне с булочкой; в пиццерии с пепперони — даже в пиццерии с булочкой! — кофе пахнет кофе, пишет medicalxpress.com.

Почему другие запахи или другие факторы окружающей среды не «мешают», так сказать, восприятию обоняния отдельных запахов? Исследователи из Инженерной школы МакКелви в Вашингтонском университете в Сент-Луисе обратились к своему доверенному объекту исследования, саранче, чтобы выяснить это.

То, что они обнаружили, было «на удивление простым», по словам Барани Рамана, профессора биомедицинской инженерии. Их результаты были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences Соединенных Штатов Америки.

Раман и его коллеги работали с саранчой в течение многих лет, наблюдая за ее мозгом и поведением, связанным с обонянием, в попытке создать саранчу, нюхающую бомбы. Попутно они добились значительных успехов, когда дело доходит до понимания механизмов обоняния саранчи.

Чтобы понять, как саранча может постоянно распознавать запахи независимо от контекста, они взяли пример с Ивана Павлова. Подобно собакам Павлова, саранча была обучена ассоциировать запах с едой, предпочитая травинку. Проведя день без еды, саранча подвергалась воздействию запаха (вдыхание гексанола или изоамилацетата), а затем давала травинку. Всего за шесть таких представлений саранча научилась открывать свои щупики (сенсорные придатки, расположенные рядом со ртом) в ожидании закуски после того, как просто понюхала «тренировочный ароматизатор». Точно так же, как мы, распознающие кофе, обученная саранча могла распознавать запах и не позволяла другим факторам мешать.

В этот момент исследователи начали смотреть, какие нейроны возбуждаются, когда саранча подвергается воздействию запаха в различных условиях, в том числе в сочетании с другими запахами, во влажных или сухих условиях, когда они голодают или сыты, обучены или не обучены, и на разное количество времени.

Оказалось, что при различных обстоятельствах исследователи наблюдали крайне противоречивые паттерны нейронов, хотя щупики саранчи открывались каждый раз. «Нервные реакции сильно различались, — сказал Раман. «Кажется, это расходится с поведением саранчи».

Каким образом вариабельные нейронные реакции могут привести к последовательному или стабильному поведению? Чтобы исследовать это, исследователи обратились к алгоритму машинного обучения. «Мы хотели посмотреть, можем ли мы, учитывая эти переменные модели нейронных реакций, предсказать поведение саранчи?» — сказал Раман. «Ответ был да, мы можем».

Алгоритм оказался очень простым для интерпретации. Он использовал два функциональных типа нейронов: есть нейроны ВКЛ, которые активируются при наличии одоранта, и нейроны ВЫКЛ, которые молчат, когда присутствует одорант, но активируются после прекращения представления запаха.

«Вы можете думать о включенных нейронах как о доказательствах присутствия запаха, а о выключенных нейронах — как о доказательствах против присутствия этого запаха», — сказал Раман. Чтобы распознать присутствие одоранта, исследователям просто нужно было добавить свидетельство присутствия одоранта (т. е. добавить спайки по всем включенным нейронам) и вычесть свидетельство против присутствия этого запаха (т. е. добавить спайки по всем выключенным нейронам). Если бы результат превышал определенный порог, машинное обучение предсказывало бы, что саранча учуяла запах.

«Мы были удивлены, обнаружив, что этот простой подход — все, что нужно для надежного распознавания одоранта», — сказал Раман.

Раман сравнил этот процесс с покупкой рубашки. Скажем, у вас есть список качеств, которые вы ищете — хлопок, длинные рукава, застежка на пуговицах, однотонный цвет, может быть, передний карман для очков — и несколько недостатков, например, только химчистка или горошек.

Возможно, вам повезет, и вы найдете именно то, что ищете. Но, что более прагматично, вы совершите покупку, если многие функции, которые вы ищете, присутствуют, а большинство функций, которые нарушают условия сделки, отсутствуют.

Поиск нужных функций аналогичен информации, передаваемой нейронами ON. Отсутствие прерывателей сделки похоже на замалчивание нейронов ВЫКЛ. До тех пор, пока активируется достаточное количество ON-нейронов, которые обычно активируются пахучим веществом, а большинство OFF-нейронов нет, можно с уверенностью предсказать, что саранча раскроет свои щупики в ожидании травяного лакомства.