Российские ученые разгадали, в чем польза шума: синхронизирует человеческий мозг

Исследователи Саратовского университета выяснили, что шум может синхронизировать такие сложные системы как нейронные сети

Шум, за который мы принимаем случайные звуковые или электромагнитные колебания, может синхронизировать даже самые сложные системы, такие как нейронные сети или электросети. К такому неожиданному на первый взгляд выводу пришли учёные Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского. Статья об этом опубликована в научном журнале Physica D: NonlinearPhenomena, сообщает пресс-служба Минобрнауки России.

Образно представить себе то, что исследуют ученые, можно на примере оркестра, где каждый музыкант играет свою партию, не прислушиваясь к другим и не попадая в такт. Но вдруг возникают случайные вибрации, например, от ветра за окном, которые помогают музыкантам начать играть в унисон. Это и называется шумовой синхронизацией, которую изучают в Институте физики СГУ.

По словам профессора кафедры радиофизики и нелинейной динамики Татьяны Вадивасовой, шум, традиционно считающийся источником помех и ошибок, иногда может играть конструктивную роль. А если ученые научатся управлять параметрами шума, такими как интенсивность и спектральные свойства, можно будет повысить степень синхронизации взаимодействующих систем.

– Расскажите, как вы пришли к выводу о пользе шума? – спрашиваю я доцента вышеуказанной кафедры Елену Рыбалову.

– Обычно ученые исследуют синхронизацию систем, когда те последовательно выходят на один ритм работы. Это происходит, когда они постоянно связаны между собой. Самый простой пример – маятник из двух подвешенных шариков: один ударил по другому, – тот пришел в движение. В организме это могут быть два связанных между собой нейрона, в природе такими системами являются хищник-жертва (один догоняет, другой убегает), смена погоды в двух сопредельных областях (если в одной меняется давление или влажность, то в другой, соответственно, тоже происходят изменения). Но все эти примеры содержат только две подсистемы, а мы решили проверить, по каким законам могут синхронизироваться сложные системы, к примеру работа не двух нейронов, а всего мозга. В больших системах велик процент неопределенности: там, непонятно, условно, ударит шарик или нет, подует ветер или нет, и как это отразится на всем «ансамбле»? Можно сказать, что в нашей работе слово «шум» является синонимом неопределенности и случайности.

До нашей работы были лишь небольшие исследования таких случайных связей. Мы же решили создать полноценную математическую модель, заложив в нее сложную динамику, и выяснили, что неопределенность, которая присутствует в них на первый взгляд, способна упорядочивать работу разрозненных объектов.

– Можете объяснить это на примере работы мозга?

– Утрированно, рассмотрим работу двух полушарий, как отдельные подсистемы. Они связаны между собой так называемым нейронным шумом, который «звучит» у нас в голове, как белый шум. На возникновение такого шума могут влиять обычные физиологические процессы в мозге, колебания, вызванные магнитными бурями и прочее.

И несмотря на то, что все они на первый взгляд хаотичны, случайны, они все равно помогают двум системам, двум нашим полушариям синхронизироваться, то есть работать в унисон.

– А когда человек слышит тот самый белый шум, это тоже может ему как-то помочь?

– Известно, что очень многим людям белый шум помогает работать, сосредотачиваться, а детям – уснуть.

– А каков механизм такого «управления»?

– Дело в том, что любой реальный шум – это не совсем случайный процесс. Внутри него, если разобраться, есть некоторая частота, повторяемость.

– И даже в шуме, издаваемым толпой?

– Шум толпы больше, чем шум листвы или водопада синхронизирует людей. Даже если они начали что-то кричать невпопад, то рано или поздно, потихоньку все равно выйдут на общий ритм. Каким образом? Начнется все с малой подсистемы, состоящей из двух человек, стоящих рядом. Сначала они будут взаимодействовать, подстраиваться друг к другу, затем, этот процесс потихоньку распространится на всю систему.

– А как синхронизирует «неживой» шум?

– В нем есть какая-то небольшая частота, которая выделяется ярче других внешних частот, действующих на объекты. А почему? Потому что эти объекты сами по себе обладают этой же частотой. Ее повторяемость и приводит в итоге к их слаженной работе.

Моделирование синхронизирующих шумов, по мнению руководителя научной группы, заведующей кафедрой Галины Стрелковой, имеет большое значение для многих областей нашей жизни. Оно поможет, к примеру, создавать более эффективные сети, которые моделируют активность биологических нейронов для создания более совершенного искусственного интеллекта. Кроме того, ученые смогут создавать шумы «под заказ», для определенных видов сложных систем, чтобы заставить их работать более эффективно.

Источник: www.mk.ru