Приветствие

О себе:
Меня зовут Дария. Последние несколько лет я занимаюсь наукой о мозге. Она бесповоротно очаровала меня теми вопросами, на которые пытается дать ответы — кто я? Что такое сознание? Как мы воспринимаем окружающий мир? Постепенно на смену восторженному куражу, который сопровождал меня в начале научного пути, пришло агностическое успокоение и нацеленность на прикладные нюансы: если раньше я занималась исключительно фундаментальными исследованиями восприятия и мышления, то сейчас большую часть времени отвожу разработке математических методов анализа сигналов мозга и их применению в клинических задачах.

Мотивация создания канала:
На всём протяжении моей исследовательской деятельности казалось невозможным соприкасаться с открывающимися мне гранями науки в одиночестве — хотелось делиться ими с окружающими. Я делала это в различных форматах: на открытых лекциях, в качестве преподавателя на образовательных модулях или публикуя научно-популярные тексты (например, в издании "Нож"). Этот канал я решила создать как платформу, на которой я смогла бы не столько выступать в роли непредвзятого "эксперта", которая в той или иной степени неизбежно накладывается при публичном представлении информации, сколько делиться интересующими меня аспектами науки через призму собственного опыта.

Некоторые темы, которых будет касаться канал:
- Будни учёного: рассказы о том, над чем я работаю в текущий момент;
- Образовательное: особенности выживания в аспирантуре НИУ ВШЭ, обучение в которой я начинаю с ноября, рефлексия на тему магистратуры там же и бакалавриата по свободным искусствам и наукам в СПбГУ;
- Заметки по последним прочитанным статьям и книгам из области нейронауки и психологии;
- Soft skills учёного: навыки и лайфхаки, которые оптимизировали мою продуктивность и работу в академической среде;
- Сводки по научным мероприятиям, в которых я участвую (конференции, семинары и т. д.);
- Вопросы нейроучёному: ответы на самые распространённые вопросы о мозге и психике, с которыми мне приходилось сталкиваться.

Добро пожаловать!

BF-NAICS 2021
#resources

Эта неделя запомнилась мне участием в форуме BF-NAICS 2021. На протяжении трёх дней представители нейронауки, сферы искусственного интеллекта и теории сложных систем обсуждали текущие достижения в фундаментальных исследованиях и прикладных разработках. В следующих постах поделюсь заметками на основе некоторых докладов.

Ссылки на видеозаписи пленарных лекций представлены ниже:
13 сентября:
- Стефано Боккалетти, "Процессы и динамика в сетях за пределами парных взаимодействий";
- Андрей Зиновьев, "Многомерная геометрия сложных молекулярных данных";
- Константин Анохин, "Нейронный код: в поисках клеточных принципов кодирования когнитивной информации";
14 сентября:
- Итамар Прокачча, "Диффузионная ограниченная агрегация: создание моделей фрактального роста";
- Иван Оселедец, "Геометрия в задачах машинного обучения";
- Василий Ключарев, Анна Шестакова, "Машинное обучение в когнитивной нейровизуализации";
15 сентября:
- Михаил Иванченко, "Динамика старения: сложные системы, сети, биомаркеры";
- Михаил Бурцев, "Вызовы для глубокого обучения";
- Михаил Лебедев, "Управление нейроинтерфейсом в разных режимах: «ловкость рук» и нейропластичность";
- Павел Балабан, "Формирование, поддержание и регуляция памяти".

BF-NAICS 2021. Астроциты в искусственном интеллекте [1]
#neuro

В последний день форума BF-NAICS 2021 на секции по нейронауке запомнился доклад, представленный группой из Института прикладной физики РАН и Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. Он был посвящён моделированию рабочей памяти с использованием искусственной сети, включающей не только нейроны, но и астроциты.

Препринт с подробностями разработки: Tsybina, Y., Kastalskiy, I., Krivonosov, M., Zaikin, A., Kazantsev, V., Gorban, A., & Gordleeva, S. (2021). Astrocytes mediate analogous memory in a multi-layer neuron-astrocytic network. arXiv preprint arXiv:2108.13414.

Общая проблематика
Рабочая память предполагает хранение информации на протяжении некоторого промежутка времени (нескольких секунд). Затем часть информации переходит в долговременную память, а часть — стирается. При предъявлении стимулов, схожих с хранящейся в рабочей памяти информации, происходит её извлечение. Это извлечение представляется в виде активации кластеров нейронов, кодирующих исходную информацию. На текущий момент актуальна разработка адекватных математических моделей, которые смогли бы воспроизвести механизмы рабочей памяти.

Зачем нужны астроциты?
Астроциты — это тип нейроглии. Нейроглия выполняет вспомогательную роль, создавая благоприятные условия для функционирования нейронов, обеспечивая их метаболические и иные процессы. В частности, астроциты могут участвовать в росте нервной ткани, гомеостазе, защищать нервную ткань от прямого контакта с кровеносным руслом и т. д. Так считалось длительное время, пока последние исследования не показали, что астроциты могут напрямую участвовать в непосредственных процессах обмена информацией между нейронами. Поэтому дополнение искусственных нейронных сетей моделями астроцитов может привести к более точному и биологически обоснованному воспроизведению реальных процессов нейрональной коммуникации.

Что было сделано?
Авторы представили модель рабочей памяти на основе спайковой нейронной сети (англ. Spiking neural network, SNN) и слоя искусственных астроцитов. На сеть подавалось изображение (фотография лица человека), которое сохранялось и поддерживалось в ней на протяжении характеристического времени, соответствующего активации астроцитов. Эта медленная и постепенная активация астроцитов, предполагающая изменение уровня концентрации ионов кальция и продолжающаяся несколько секунд, посредством изменения частоты возбуждения нейронов модулировала передачу сигналов в нейрональных ансамблях, соответствующих заданным астроцитам. Если в этот период на сеть подавалась информация, напоминающая исходную, паттерны, хранящиеся в сети, успешно реконструировались. Затем паттерны окончательно пропадали, что открывало доступ к сохранению новой информации.

BF-NAICS 2021. Астроциты в искусственном интеллекте [2]

(Продолжение)

Устойчивость алгоритма
Использование разных уровней зашумления, а также предъявление нового лица показали, что алгоритм с использованием астроцитарной модуляции устойчив к зашумлению до 80 % (cм. Рис., Part 2: Test 1, Test 2) и успешно воспроизводит черты исходного лица даже при предъявлении нового (cм. рисунок, Part 2: Test 4). Использование же исключительно слоёв нейронов без астроцитов лишь повторяет визуальные паттерны без дополнительной информационной обработки, что выражается в меньшей устойчивости к зашумлению и невозможности воспроизвести исходную информацию при предъявлении нового стимула (см. Рис., Part 1).

Итоги
Cочетание динамики активации астроцитов с взаимодействием нейронов позволило создать устойчивую модель зрительной рабочей памяти, которая потенциально может превзойти стандартные алгоритмы глубокого обучения как в вычислительной эффективности, так и в точном воспроизведении процессов, происходящих в мозге.

Почему голубь?
#history

Предыстория
Название канала косвенно отсылает к продолжавшейся в 50-х годах XX века когнитивной революции, в результате которой изучение мозга и психики вышло на междисциплинарный уровень, а объяснение ментальных процессов стало осуществляться в терминах информационной обработки. Господствовавший на момент когнитивной революции бихевиоризм, напротив, отрицал возможность изучения "тёмного ящика" субъективного опыта и вместо этого ставил во главу угла исследования поведения как набора внешних реакций на внешние стимулы. Для радикального бихевиориста разум представлял собой чистый лист, который затем преобразуется посредством опыта и который можно научить чему угодно. Несмотря на то что ныне подобный подход считается устаревшим и упрощённым, отзвуки наследия бихевиористов возможно найти и сейчас — например, в прикладном анализе поведения, методы которого используются для коррекции поведения при аутизме, или в компонентах когнитивно-поведенческой терапии. Также экспериментальная деятельность бихевиористов позволила зафиксировать ряд интересных феноменов в психологии. К ним, в частности, относится "суеверие", обнаруженное у голубей одним из самых влиятельных бихевиористов Б. Ф. Скиннером.

Суеверные голуби
Скиннер помещал голодных голубей в клетку рядом с механической кормушкой, через которую поступал корм через регулярные интервалы времени независимо от поведения птиц. Обнаружилось, что голуби начинали повторять собственное поведение, которое однажды случайно совпало с поступлением еды. Голуби могли совершать повороты тела против часовой стрелки, двигать головой наподобие маятника или помещать её в определённые углы клетки. То есть случайное подкрепление поведения формировало ритуал, который голуби повторяли так, словно влияли на механизм, поставляющий корм. Довольно легко провести параллель с поведением людей — не только с суевериями и ритуалами в чистом виде, но и с классическими когнитивными искажениями. В частности, люди могут испытывать иллюзию контроля, преувеличивая своё влияние на события: например, люди готовы платить больше за лотерейный билет, если им предлагают выбирать его самостоятельно, а не случайным образом.

И ещё о голубях
"Суеверие" голубей могло ставиться последующими исследованиями под сомнения (например, ритуалы могли рассматриваться как результат предвосхищения корма, а не попыток влиять на время его подачи). Но этим приключения голубей Скиннера не ограничивались. Во время Второй мировой войны, когда автоматические системы управления полётом ракет не были достаточно развиты, Скиннер руководил проектом по созданию биологической системы наведения вооружений. Проект, что было ожидаемо, назывался "Голубь" (англ. Project Pigeon). Скиннер обучал голубей клевать мишень, проецируемую на экран внутри ракеты от линз с носа ракеты, что влияло на направление её движения. Предсказуемым образом проект был завершён в силу непрактичности.

Метафорическое
Для меня образ голубя Скиннера будет служить напоминанием о том, что как бихевиоризм изжил себя, оставшись закономерной ступенью развития науки о мозге, так же и когнитивный подход с его современными установками ждут перемены. И пока я занимаюсь научной деятельностью, я буду стараться быть открытой этим переменам.

Ракета под управлением голубя для Project Pigeon

Бонус: голуби Скиннера, обученные игре в пинг-понг

BF-NAICS 2021. Асимметрия внимания при восприятии неоднозначных стимулов [1]
#neuro

Продолжая серию постов про форум BF-NAICS 2021, коснусь заинтересовавшего меня аспекта из доклада В. Максименко (Университет Иннополис), посвящённого взаимодействию нисходящих и восходящих процессов при неоднозначном восприятии. Этот аспект касается распределения внимания при восприятии таких неоднозначных стимулов, как куб Неккера.

Релевантный препринт: Maksimenko, V., Kuc, A., Badarin, A., Grubov, V., Shusharina, N., & Hramov, A. E. (2021). Attentional Bias for the Left Visual Field in Ambiguous Necker Cube Processing.

Латерализация когнитивных функций
Несмотря на опровержение ряда мифов о том, что функции правого и левого полушарий глобально отличаются, всё же существуют функционально значимые структуры, доминирующие лишь в одном из полушарий (в частности, речевая зона Брока, у правшей находящаяся в левом полушарии, или веретенообразная область лица (англ. fusiform face area), находящаяся в правом полушарии). Подобная латерализация распространяется и на систему внимания.

Восходящие и нисходящие восприятия и внимания
Возможно выделить следующие процессы восприятия и внимания:
1. Восходящие (англ. bottom-up), предполагающие обработку с простейших характеристик стимула (например, цвета или размера);
2. Нисходящие (англ. top-down), предполагающие использование уже более сложной контекстуальной информации. Например, нисходящие процессы мы можем активно использовать, когда разбираем сложный почерк и не анализируем написание отдельных букв, а оперируем словами в целом.
В свою очередь, на уровне мозговых структур у внимания выделяются две системы:
1. Вентральная, доминирующая в правом полушарии и отвечающая за восходящие процессы (в частности, активирующаяся при возникновении неожиданных стимулов);
2. Дорсальная, включающая области обоих полушарий и отвечающая за нисходящие процессы.

Неоднозначные стимулы
Неоднозначные стимулы предполагают противоречивое сочетание составляющих их элементов таким образом, что воспринимая их, человек может осознавать одну из возможных версий стимула. К таким стимулам относится куб Неккера, представляющий двумерное изображение трёхмерного куба. Поскольку рёбра куба выглядят одинаково, в самом изображении не содержится информации об ориентации куба (о том, какая грань находится спереди). Человек может воспринимать куб как левоориентированный (левая нижняя грань спереди) или правоориентированный (правая верхняя грань спереди). Куб Неккера может использоваться для изучения восходящих и нисходящих процессов восприятия и внимания, поскольку первые отвечают за обработку базовых характеристик стимула (расположения рёбер и т. д.), а последние — за выбор "интерпретации" (куб левоориентированный или правоориентированный).

BF-NAICS 2021. Асимметрия внимания при восприятии неоднозначных стимулов [2]

(Продолжение)

Эксперимент
В рамках экспериментальной процедуры неоднозначность кубов Неккера варьировалась за счёт изменения яркости заданных граней. Т. е. в ряде случаев было проще определить, в какую сторону ориентирован куб, и для этого требовалось меньше включения нисходящих процессов. В ходе записи ЭЭГ участникам предлагалось определять ориентацию кубов, нажимая на соответствующую клавишу.

Результаты
- В условиях низкой неоднозначности кубов Неккера участники реагировали быстрее на левоориентированные кубы. Напротив, в условиях высокой неоднозначности кубов Неккера различий во времени реакции для разных ориентаций выявлено не было. Такие тенденции могут обеспечиваться тем, что в условиях низкой неоднозначности превалируют восходящие процессы, позволяющие выбирать "интерпретацию" на основе непосредственных признаков изображения (яркости рёбер).
- В условиях низкой неоднозначности мощность ЭЭГ изменялась в правополушарных структурах, относящихся к вентральной сети внимания, отвечающей за восходящие процессы. Правоориентированные кубы в этом случае вызывали более мощный ответ в этой структуре, отражая более выраженные восходящие процессы, задействущие больше ресурсов внимания.
- Окулография показала, что участники фокусировались на центре куба, поэтому обнаруженные различия не связаны с эффектами движения глаз.

Интерпретация
Полученные результаты могут указывать на то, что по умолчанию существует смещение внимания и его восходящих процессов в сторону левого зрительного поля. Когда кубы Неккера с низкой неоднозначностью левоориентированы, характеристики, указывающие на их ориентацию, находятся в левой части. Уклон внимания в сторону левого зрительного поля и объясняет облегчённую обработку этих характеристик вентральной сетью внимания правого полушария, результатом чего становится повышенная скорость интерпретации таких стимулов. Правоориентированные кубы, напротив, предполагают более тщательный и ресурсоёмкий анализ характеристик стимула и накопление дополнительной информации об ориентации, что и выражается в пониженной скорости реакции и повышенном ЭЭГ-ответе вентральной сети внимания.