Scienty

Ученые из Саратова установили, что внутренний шум, свойственный различным системам, а также внешние шумовые помехи способны повышать работоспособность этих систем. Случайные колебания делают работу естественных и искусственных нейронных сетей более эффективной и могут быть полезны при лечении заболеваний, связанных с локальной синхронизацией некоторых групп нейронов головного мозга (болезнь Паркинсона, эпилепсия). По словам руководителя исследования Галины Ивановны Стрелковой, с помощью шума можно улучшить когнитивные и двигательные функции, снизить уровень стресса, восстановить старые и приобрести новые нейронные связи. В интервью корреспонденту «Научной России» радиофизик рассказала о связи шума и хаоса, пользе неопределенности и возможности использования шумовых воздействий в разных сферах жизни.

Справка: Галина Ивановна Стрелкова ― Доктор физико-математических наук, доцент, руководитель кафедры радиофизики и нелинейной динамики СГУ имени Н. Г. Чернышевского.

― Что такое шум с научной точки зрения?

Под этим словом подразумевают звуковой сигнал большой полосы пропускания. Шум всегда присутствует в жизни, даже если его не слышно (даже при кажущейся тишине): окружающий шум, технологический шум (тепловой, дробовой), информационный шум (вербальный, звуковой, визуальный) и другие его виды. Ученые определяют шум как случайный, непредсказуемый и не воспроизводимый процесс, который нельзя описать физическими или математическими законами. Сегодня термин «шум» стал общенаучным.

Наличие источников шума в системе не позволяет точно предсказать ее поведение. Можно лишь прогнозировать статистические характеристики, например средние значения. Любое изменение системы, вызванное случайными силами, величинами или характеристиками, называется шумом. В сущности, это случайные колебания и вибрации, меняющиеся во времени и в пространстве.

― В живых объектах шум тоже присутствует?

В системах, включая биологические, всегда присутствует шум двух типов: внутренний, свойственный каждой системе, и внешний, возникающий от воздействия извне. Например, у живых существ есть нейронный шум. Миллиарды нейронов головного мозга постоянно взаимодействуют, обрабатывая информацию и передавая полезные сигналы в разные области мозга, отвечающие за умственную, двигательную, нервную и другие виды деятельности.

Нейронная деятельность происходит при постоянном воздействии шума (белый шум).

Понятие «зашумленный мозг» не случайно существует. Нейронный шум – колебания работы нейронов, всегда сопровождающие любую мозговую активность. Без него живые существа не могли бы жить.

― И во время сна этот нейронный шум существует?

Да. Это свойство организма, которое никогда не исчезает. Уровень нейронного шума меняется под влиянием возраста, функциональных особенностей, сложности решаемых задач и других факторов. Снижение интенсивности шума негативно сказывается на когнитивных, двигательных и других видах деятельности. Во сне, когда внешние раздражители отсутствуют, шум помогает очистить мозг. Именно поэтому тихий и спокойный сон дарит ощущение обновления: за ночь внутренний нейронный шум, наш друг и помощник, совершает работу по очищению. Я не физиолог, но могу говорить об этом с точки зрения физики. Мозговая деятельность сопровождается определенными ритмами. Во время сна одни из них усиливаются, другие ослабевают, а нейронный шум упорядочивает всё.

Природа нейронного шума, определяющего наши когнитивные способности, до сих пор остаётся загадкой. Какие реакции протекают внутри организма при этом явлении? Если нейрофизиологи ответят на этот вопрос, то смогут управлять этими процессами с помощью внешних воздействий. Возможно, в будущем удастся излечить некоторые заболевания благодаря синхронизации или рассинхронизации элементов биологической системы.

― Значит, шум Это не вредоносные помехи, а скорее польза. .

Шум традиционно считался нежелательным фактором, причиной помех, ошибок и разрушений. Сегодня мы видим, что это утверждение не всегда верно. Шум может играть созидательную и исцеляющую роль в нашей жизни. Необычное предположение: как случайность и неопределенность могут быть созидательными? Многочисленные исследования подтверждают этот вывод. При определенном уровне шума эффективность решения когнитивных задач увеличивается. Люди с расстройствами аутистического спектра выполняют некоторые задачи лучше и быстрее других из-за высокого уровня нейронного шума, который помогает мозгу находить решения сложных задач. Также при оптимальном уровне шума улучшается чувствительность зрительного восприятия. Из хаоса (то есть из шума) при оптимальном воздействии можно получить порядок — формула «Порядок из хаоса».

― Основатель молекулярной биологии Жак Моно в труде «Случайность и необходимость» рассматривал эволюцию жизни на Земле, утверждая, что естественный отбор выделяет гармонию из хаоса.

Музыка по существу — шум, из которого благодаря гармонии получаем связную мелодию. Мелодия из хаоса, появившаяся случайно. В книге показано, что Жак Моно не связывает случайность с теорией вероятности: случай в эволюции по Моно незакономерен. Одна из аналогия связана со случайным пересечением процессов: один человек идет по делам, другой ремонтирует крышу, у него падает молоток, разбивающий голову другого человека. Такое понимание случайности приводит Жака Моно к выводу, что появление жизни и человека было результатом чистой случайности, а не закономерного развития мира.

Человек — случайность для Вселенной и в этом плане не связан с ней.

― Возможна ли коррекция уровня нейронной активности для улучшения выполнения задач, требующих мыслительных усилий?

Я не физиолог и не знаю, как это осуществить на практике, но могу рассказать о исследованиях, которые проводятся на нашей кафедре и касаются вашего вопроса. С помощью методов компьютерного моделирования создаём сложные системы, в том числе нейросети, и изучаем, какой шум нужно подавать, чтобы элементы этих систем, например искусственные нейроны, лучше реагировали на воздействие и функционировали эффективнее. Изучаем все частоты шумового спектра и можем определить диапазон, оптимизирующий работу нейронов. Предполагаем, что это полезно не только для наших компьютерных моделей, но и для биологических систем, то есть живых организмов.

Могу предположить, что слабое воздействие в виде света и звука может положительно повлиять на мозг.

― А в чем может выражаться это улучшение?

Это касается упорядочения и синхронизации деятельности нейронов, чтобы режимы их работы были более согласованными, что обеспечивает самую эффективную нейронную активность.

― Проводятся ли подобные исследования на животных?

В мире проводят эксперименты с мышами и крысами. Специалисты изучают влияние уровня нейронного шума на решения задач категоризации: выбор одного варианта из нескольких. Эксперименты показали: уровень шума увеличивается, когда животное принимает решение, а после его выполнения возвращается к норме [3].

Эта область исследований очень интересна, особенно с медицинской точки зрения. В течение жизни могут разрушаться нейронные связи, что приводит к серьёзным заболеваниям (деменция, болезнь Альцгеймера и другим). Но если в существующие нейронные связи ввести случайность (подавать слабые неинвазивные шумовые сигналы), то возможно скомпенсировать потери и даже вырастить новые связи. Именно это свойство нейронной пластичности используется и в искусственных нейросетях.

Помимо этого, существуют заболевания, связанные с шумовой синхронизацией. Например, локальная синхронизация отдельных групп нейронов головного мозга приводит к болезни Паркинсона и эпилепсии. В этом случае воздействие шумовых сигналов, разрушающих эту синхронизацию, как я уже говорила, может быть исцеляющим фактором.

― Насколько вам известно, нейроны шума свойственны всем животному с мозгами?

Предполагаю, что да. Отличается только интенсивность: чем выше уровень организации животного, тем больше вызовов оно сталкивается за жизнь, тем больше задач решает, тем выше уровень его нейронного шума и когнитивных способностей.

Вы занимаетесь нейросетями. Как шум нейронов в этих искусственных системах отличается от шума, который мы видим у людей?

Искусственные нейронные сети созданы по образцу биологических нейронов. Исследования показывают, что часть шума возникает в искусственной нейронной сети естественным образом при обработке данных и наличии слоев, а другая часть шума поступает извне [4].

Часть шумов может подавляться самой сетью, другие же обязаны находиться в ней. Например, для лучшего обучения искусственных нейронных сетей добавляют внешние шумы как сумматорный, так и множитель.

Как и в живых системах, для правильной работы искусственных нейронных сетей необходим шум. Он не только способствует улучшению обучения, но и делает сеть более стабильной, устойчивой к негативному влиянию внешней среды, а также повышает ее способность решать задачи, такие как распознавание и диагностика.

Как проявляется шум в космосе и нашей Вселенной, и могло ли это влиять на её развитие?

Я не астрофизик, но могу предположить, что шум во Вселенной всегда присутствует, а его происхождение может быть самым разнообразным: от излучения звезд и движения метеоритов до взрыва сверхновых. Несмотря на то, что услышать его без специальных инструментов невозможно, он всё равно существует. Возьмем, например, теорию Большого взрыва — можно ли задаться вопросом о том, что привело к этому событию? Возможно (возвращаясь к Жаку Моно), это были случайность и неопределенность, то есть совокупность шума, из которой впоследствии возникла прекрасная «музыка», которую мы наблюдаем.

С какого времени исследователи из Вашей кафедры изучают шум?

Изучение шума – достаточно старая проблема. Множество разделов физики посвящены его решению: статистическая физика, статистическая радиофизика, нелинейная физика и другие. Устранение помех в системе и увеличение ее КПД всегда были для нас главной задачей.

В 1951 году была организована кафедра, занимающаяся исследованием особенностей колебаний радиотехнических устройств и способами уменьшения внутренних шумов для улучшения работы приборов. С течением времени круг задач расширился, и теперь мы работаем с большими данными, большими сетями, приближенными к реальным физическим процессам.

В течение пятнадцати лет наша группа исследует воздействие шума на динамику сложных систем. Мы стремимся понять роль шума в эволюции сложных структур и процессов, развивающихся во времени и пространстве, а также как использовать шум для упорядочения поведения сложных систем и управления их режимами.

Предыдущие работы ограничивались исследованиями случайных связей простых моделей: двух связанных маятников, частиц или осцилляторов. В связи с сложностью реальных систем авторы создали математическую модель из множества элементов и частей со сложной динамикой. Выяснилось, что неопределенность в модели способна упорядочивать работу разрозненных объектов системы.

Шум способствует самоорганизации сложной системы и создаёт большую упорядоченность в поведении её элементов.

Какие вопросы из этого списка кажутся вам, как учёному, самыми сложными?

Много трудностей, одна из главных — постановка задачи. Она должна быть близка к реальным системам и объектам, не удаляться от них. Важно видеть цель и ставить задачу так, чтобы она нашла применение в других областях науки. Подбор объектов для исследования также трудоемкий: нужно понять, какие уравнения нужны, какими характеристиками должен обладать шум, какой алгоритм использовать, какими математическими величинами оперировать и т.д. Система должна быть эффективной. Если говорить об искусственных нейросетях, то они должны работать быстро, эффективно и с наименьшими затратами энергии. Если обработка информации будет занимать много времени, зачем тогда такие сложные системы?

Вы говорили со мной о шуме. Что значит для вас слово «тишина»? Как это полезно?

В природе всегда есть звуки, даже если их не слышно. Абсолютная тишина невозможна ни вокруг нас, ни внутри нашего организма, где постоянно происходят процессы: дыхание, сердцебиение, движение ресниц и так далее. Но в речи понятие «абсолютной тишины» обозначает вакуум — пустоту без вещества. Для человека важна лишь относительная тишина, а полное отсутствие звуков может привести к безумию.

Беззвучие полностью не подходит нашему естеству.

Коротенькие паузы в потоке звуков помогают восстановиться, снизить стресс и сосредоточиться. Тишина — это не полное безмолвие, мозг продолжает работать даже в шумной обстановке. Это пространство для обработки, структуризации и обновления информации. Внутренний шум мозга запускает собственные процессы восстановления и обновления при условном отключении внешних звуков.

Что касается абсолютного покоя, то правда ли по мнению квантовой физики, что его нет?

Мир, подобно спокойствию, может быть лишь относительным, потому что даже неподвижный маятник испытывает воздействие внешних сил, вызывающие вибрацию. Абсолютного покоя не существует, а под относительным понимают отсутствие скорости движения. Всё во Вселенной постоянно находится в движении по пространству и времени, но это происходит на разных уровнях масштаба.

Подводя итоги нашей беседы, для меня, не имеющего специальных знаний в этой сфере, самым неожиданным кажется то, что Неопределённость может упорядочить систему, организовать её. Что кажется вам самым необычным в шуме?

Соглашусь с вами. Для нас тоже удивительно, что случайные связи между частицами и системами могут упорядочить их, приводя к синхронизации, не свойственной этой системе изначально. Казалось бы, случайные факторы, задания, числа в эксперименте дают шум, но вдруг происходит упорядочение, самоорганизация. Этот процесс сложно объяснить, много неясного. Может быть, случайность всегда присутствует в детерминированных системах, описываемых уравнениями? Возможно, детерминированность и случайность каким-то образом взаимодействуют, приводя к определённости, самоорганизации, управляемому красивому движению, как естественный отбор. Шум — поистине удивительное явление, которое будет играть колоссальную роль во всех сферах нашей жизни.

ЛИТЕРАТУРА:

Р. Пратик, Р. Элизе, Дж.А.Дж. ван Боктель. Высокая нейроальная шумность в аутизме: гипотеза, находящаяся в настоящее время на перекрестке объяснительной силы. Хелийон, 2024. Т. 10, вып. 23, e40842.

Э. Ицкович, М. Риани, В.Г. Саннита. Стохастический резонанс улучшает зрение у сильно ослабленных. Sci. Rep., 2017. Т. 7. С. 1–8. doi: 10.1038/s41598-017-12906-2.

3. T. Engel, W. Chaisangmongkon, D. Freedman et al. Связанные с выбором колебания активности лежат в основе обучения представления категории нейронов. . Nat Commun 6, 6454 (2015).

Н. Семенова, Д. Бруннер. Влияние белого шума на искусственные нейронные сети, обученные для классификации: производительность и стратегии смягчения шума. Хаос, 2024. Т. 34, 051101.

Фотографии в галерее и в начале статьи предоставлены Татьяной Богатенко из Института физики СГУ имени Н. Г. Чернышевского для издания «Научная Россия».