Как в генетике программируется разум.
Эйнштейн 21 века на подходе к открытию «уравнения мозга».
Два года назад сын Альберта Ласло Барабаши (которого я уже много лет считаю Эйнштейном 21 века) втравил отца в грандиозную авантюру – попытаться раскрыть величайшую из загадок: как генетически кодируется устройство хадвера разума – нейронная архитектура связей индивидуального мозга.
1й этап этой работы закончен и дал потрясающий результат (как говорится, Эйнштейн – он и в Африке Эйнштейн). Опубликованные 2 декабря в Neuron подробности - малопонятные для неспециалиста, но увлекательные, как триллер – описать простым языком навозможно.
Понятийные аппараты и терминология науки о сложных сетях и нейробиологии наложились друг на друга, создав гремучую смесь с эзотерическим подтекстом (как никак, вопрос на уровне Бога – как в генетике программируется разум).
Помимо этой немеряной сложности, есть и вторая – математически, эта задача, казалось бы, неразрешима. Ведь в ДНК просто нет столько памяти, чтобы закодировать триллионы связей миллиардов нейронов мозга. А кроме ДНК другой супер-памяти у генетики нет.
И, наконец, третья неподъемная сложность (снова как бы толкающая тему в сторону эзотерики).
А существует ли вообще генетический план прошивки мозга в свете того, что она, в значительной мере (но не понятно какой) формируется уже при жизни на основе обучения и опыта?
Существующие теории о генетическом программировании прошивки мозга по своей сути стохастичны, и поэтому не могут воспроизводить конкретные схемы прошивки. И, следовательно, не могут ответить ни на один из поставленных выше вопросов.
А можно ли вообще найти «формулу мозга», математически строгую и позволяющую выдвигать и проверять (фальсифицировать) гипотезы о механизмах связи генетики и нейронной архитектуры?
Новое исследование проливает свет на такую возможность.
• Отец и сын Барабаши начали с гипотезы о том, что генетическая идентичность нейронов определяет формирование синапсов.
• На этой основе они предложили модель коннектома, позволяющую предсказывать результаты генетически управляемой нейронной прошивки.
• Модель предсказывает существование 3х разновидностей специфических повторяющихся узоров (мотивов) биклик (полных двудольных подграфов соединений пар нейронов) - (см. рис.)
• Для этих биклик авторы нашли математически подтверждаемую зависимость с транскрипционными факторами - формированием нейронных связей конкретными комбинациями экспрессируемых генов (см. рис.)
• В результате можно идентифицировать гены, ответственные за наблюдаемые локальные паттерны нейронных связей - повторяющихся узоров биклик.
Все это проверялось на модели самого простого коннектома червяка С elegans. И проверка показала, что модель позволяет увязывать нейронную архитектуру и экспрессию генов.
Что теперь?
Впереди долгий путь. Для коннектома человека все гораздо сложнее. Да и влияние обучения с опытом у человека посерьезней, чем у червяка.
Но главное – выявлен и проверен путь, вполне возможно, ведущий к раскрытию величайшей тайны человечества.
По крайней мере, Альберт-Ласло Барабаши настроен серьезно, написав в своем Твиттере – «Оставайтесь на связи - в ближайшее время последует математическая обработка результатов, позволяющая набросать уравнение мозга».
Так что реально стоит оставаться на связи.
«A Genetic Model of the Connectome»
#Генетика #Коннектом
Эйнштейн 21 века на подходе к открытию «уравнения мозга».
Два года назад сын Альберта Ласло Барабаши (которого я уже много лет считаю Эйнштейном 21 века) втравил отца в грандиозную авантюру – попытаться раскрыть величайшую из загадок: как генетически кодируется устройство хадвера разума – нейронная архитектура связей индивидуального мозга.
1й этап этой работы закончен и дал потрясающий результат (как говорится, Эйнштейн – он и в Африке Эйнштейн). Опубликованные 2 декабря в Neuron подробности - малопонятные для неспециалиста, но увлекательные, как триллер – описать простым языком навозможно.
Понятийные аппараты и терминология науки о сложных сетях и нейробиологии наложились друг на друга, создав гремучую смесь с эзотерическим подтекстом (как никак, вопрос на уровне Бога – как в генетике программируется разум).
Помимо этой немеряной сложности, есть и вторая – математически, эта задача, казалось бы, неразрешима. Ведь в ДНК просто нет столько памяти, чтобы закодировать триллионы связей миллиардов нейронов мозга. А кроме ДНК другой супер-памяти у генетики нет.
И, наконец, третья неподъемная сложность (снова как бы толкающая тему в сторону эзотерики).
А существует ли вообще генетический план прошивки мозга в свете того, что она, в значительной мере (но не понятно какой) формируется уже при жизни на основе обучения и опыта?
Существующие теории о генетическом программировании прошивки мозга по своей сути стохастичны, и поэтому не могут воспроизводить конкретные схемы прошивки. И, следовательно, не могут ответить ни на один из поставленных выше вопросов.
А можно ли вообще найти «формулу мозга», математически строгую и позволяющую выдвигать и проверять (фальсифицировать) гипотезы о механизмах связи генетики и нейронной архитектуры?
Новое исследование проливает свет на такую возможность.
• Отец и сын Барабаши начали с гипотезы о том, что генетическая идентичность нейронов определяет формирование синапсов.
• На этой основе они предложили модель коннектома, позволяющую предсказывать результаты генетически управляемой нейронной прошивки.
• Модель предсказывает существование 3х разновидностей специфических повторяющихся узоров (мотивов) биклик (полных двудольных подграфов соединений пар нейронов) - (см. рис.)
• Для этих биклик авторы нашли математически подтверждаемую зависимость с транскрипционными факторами - формированием нейронных связей конкретными комбинациями экспрессируемых генов (см. рис.)
• В результате можно идентифицировать гены, ответственные за наблюдаемые локальные паттерны нейронных связей - повторяющихся узоров биклик.
Все это проверялось на модели самого простого коннектома червяка С elegans. И проверка показала, что модель позволяет увязывать нейронную архитектуру и экспрессию генов.
Что теперь?
Впереди долгий путь. Для коннектома человека все гораздо сложнее. Да и влияние обучения с опытом у человека посерьезней, чем у червяка.
Но главное – выявлен и проверен путь, вполне возможно, ведущий к раскрытию величайшей тайны человечества.
По крайней мере, Альберт-Ласло Барабаши настроен серьезно, написав в своем Твиттере – «Оставайтесь на связи - в ближайшее время последует математическая обработка результатов, позволяющая набросать уравнение мозга».
Так что реально стоит оставаться на связи.
«A Genetic Model of the Connectome»
#Генетика #Коннектом
Открыта «Теория относительности XXI века»
Сетевое пространство имеет особую «кривизну», определяющую энергию сетей.
9 лет назад я предсказал, что «Теория относительности XXI века» формируется на наших глазах, и заочно назвал Альберта-Ласло Барабаши Эйнштейном XXI века. Я исходил из того, что новая теория относительности будет разработана для мира сетей, и что ближе всего к этому подошел Барабаши.
N.B. Мир сетей – это важнейшее и сложнейшее представление 2-х миров – материального (от социальных сетей общества до коннектома мозга) и идеального (от семантики понятий до изобретений и открытий).
Прошло 9 лет, и вот случилось – Барабаши опубликовал в Nature Physics работу, в которой сформулированы принципы «сетевой теории относительности». Она называется «Изотопия и энергия физических сетей».
В работе Барабаши все столь же «элегантно просто», как и у его великого тёзки Эйнштейна.
1) Мы живем в 3-х мерном мире, в котором для описания сетевых структур недостаточно знать их «разводку», описываемую матрицей смежности (какой узел с какими соединен). В реальных сетях (нейроны мозга, кровеносная система и т.п.) связи узлов не должны пересекаться (дабы избежать «коротких замыканий» в сети).
2) Авторы работы - Барабаши и Со, - ввели новое понятие, учитывающее как бы физическую «кривизну» 3-х мерной сети – сетевая изотопия. Это математическое понятие описывает различия геометрии сетей, имеющих одинаковую «разводку», и позволяет исследовать «запутанность» сетей различных изотопических классов (различные схемы сети, которые могут быть преобразованы друг в друга без пересечения связей).
3) Упругая энергия физической сети линейно зависит от числа связей графа, из чего следует, что каждый «клубок» вносит независимый вклад в общую энергию. Сетевая изотопия позволяет аналитически рассчитать взаимосвязь между «запутанностью» и энергией.
4) Авторам удалось найти прямую связь между изотопией и энергетической структурой сети, установив, что изотопические классы отделяются друг от друга различными энергетическими ямами.
5) В результате 1-4, авторы пришли к понятию «сетевой температуры». Чем она выше, тем больше отклонение связей от траекторий прямых, и тем больше «запутанность» сети (см. приложенный рисунок для 3-х температур: 0, 0.806 и 1.718).
6) Применив новую теорию на практике, авторы обнаружили, что коннектом мозга мыши куда более запутан, чем ожидалось, исходя из гипотезы оптимальной проводки, широко используемой в современной науке о мозге.
Последствия этого открытия могут оказаться не меньшими, чем открытие теории относительности и квантовой запутанности. Ибо жизнь, разум, да и весь наш мир – ох как непросты (что символизируют название этого канала @theworldisnoteasy и пример типичной физической запутанности)
#КомплексныеСети #ТемпоральныеСети #Коннектом
Сетевое пространство имеет особую «кривизну», определяющую энергию сетей.
9 лет назад я предсказал, что «Теория относительности XXI века» формируется на наших глазах, и заочно назвал Альберта-Ласло Барабаши Эйнштейном XXI века. Я исходил из того, что новая теория относительности будет разработана для мира сетей, и что ближе всего к этому подошел Барабаши.
N.B. Мир сетей – это важнейшее и сложнейшее представление 2-х миров – материального (от социальных сетей общества до коннектома мозга) и идеального (от семантики понятий до изобретений и открытий).
Прошло 9 лет, и вот случилось – Барабаши опубликовал в Nature Physics работу, в которой сформулированы принципы «сетевой теории относительности». Она называется «Изотопия и энергия физических сетей».
В работе Барабаши все столь же «элегантно просто», как и у его великого тёзки Эйнштейна.
1) Мы живем в 3-х мерном мире, в котором для описания сетевых структур недостаточно знать их «разводку», описываемую матрицей смежности (какой узел с какими соединен). В реальных сетях (нейроны мозга, кровеносная система и т.п.) связи узлов не должны пересекаться (дабы избежать «коротких замыканий» в сети).
2) Авторы работы - Барабаши и Со, - ввели новое понятие, учитывающее как бы физическую «кривизну» 3-х мерной сети – сетевая изотопия. Это математическое понятие описывает различия геометрии сетей, имеющих одинаковую «разводку», и позволяет исследовать «запутанность» сетей различных изотопических классов (различные схемы сети, которые могут быть преобразованы друг в друга без пересечения связей).
3) Упругая энергия физической сети линейно зависит от числа связей графа, из чего следует, что каждый «клубок» вносит независимый вклад в общую энергию. Сетевая изотопия позволяет аналитически рассчитать взаимосвязь между «запутанностью» и энергией.
4) Авторам удалось найти прямую связь между изотопией и энергетической структурой сети, установив, что изотопические классы отделяются друг от друга различными энергетическими ямами.
5) В результате 1-4, авторы пришли к понятию «сетевой температуры». Чем она выше, тем больше отклонение связей от траекторий прямых, и тем больше «запутанность» сети (см. приложенный рисунок для 3-х температур: 0, 0.806 и 1.718).
6) Применив новую теорию на практике, авторы обнаружили, что коннектом мозга мыши куда более запутан, чем ожидалось, исходя из гипотезы оптимальной проводки, широко используемой в современной науке о мозге.
Последствия этого открытия могут оказаться не меньшими, чем открытие теории относительности и квантовой запутанности. Ибо жизнь, разум, да и весь наш мир – ох как непросты (что символизируют название этого канала @theworldisnoteasy и пример типичной физической запутанности)
#КомплексныеСети #ТемпоральныеСети #Коннектом
Разгадка «уравнения мозга» потребовала создания новой математики.
Её зачинателем стал Эйнштейн 21 века Алберт-Ласло Барабаши.
Сетевая физическая математика – это не просто новый раздел математики, зависящей от физических свойств объектов. Это что-то типа разных таблиц умножения, в зависимости от того, на чем они написаны.
Пять лет назад Алберт-Ласло Барабаши (которого я уже много лет считаю Эйнштейном 21 века) впервые подступился к решению величайшей из загадок: как генетически кодируется устройство хадвера разума — нейронная архитектура связей индивидуального мозга.
1й же этап этой работы дал потрясающий результат. Понятийные аппараты и терминология науки о сложных сетях и нейробиологии наложились друг на друга, создав гремучую смесь с эзотерическим подтекстом (как никак, вопрос на уровне Бога — как в генетике программируется разум). В итоге забрезжила возможность найти «формулу мозга», математически строгую и позволяющую выдвигать и проверять (фальсифицировать) гипотезы о механизмах связи генетики и нейронной архитектуры.
В 2019 году Алберт-Ласло Барабаши опубликовал на пару с сыном Даниэлем (специализирующимся на вычислительной нейробиологии и коннектомике) работу «A Genetic Model of the Connectome». И в день её публикации написал такой твит — «Оставайтесь на связи — в ближайшее время последует математическая обработка результатов, позволяющая набросать уравнение мозга» (подробней см. мой пост).
Однако, с «уравнением мозга» все оказалось куда сложнее.
Существующий математический аппарат предназначен для описания идеальных сетей – эдаких нефизических сущностей, структура и динамика развития которых зависит лишь от конфигурации вершин и ребер описывающего графа.
В реальности же коннектом мозга, сосудистые сети, сеть электропроводов и сеть проводников на подложке микросхемы – это сети с разной физической основой (разной физичностью).
Эта физичность не только определяет правила непересечения ребер, но и фундаментально изменяет структуру сети и возможности ее эволюции.
Кроме того, во многих физических сетях узлы не являются точечными объектами, а физически расширены и объединены на иных сетевых уровнях, что требует разработки соответствующей многоуровневой структуры гиперсетей.
В новой работе Барабаши и его коллег «Понимание влияния физической реальности на структуру сети» для описания реальных физических сетей предложен формализм метаграфов.
В работе показано, что физичность фундаментально изменяет структуру сети. А использование метаграфов позволяет прогнозировать функциональные особенности физической сети. Например, формирование синапсов в коннектоме мозга, в соответствии с эмпирическими данными.
Теперь на очереди разработка моделирующей и аналитической платформы, которая поможет систематически исследовать конкурирующую роль генетики и физической формы сетевых соединений в мозге.
Данная работа дополняет серию прорывных работ Барабаши, формулирующих принципы «сетевой теории относительности».
Ну а дальше, оснащенный новым формализмом и аналитической платформой, Барабаши снова планирует вернуться к поиску «уравнения мозга».
#КомплексныеСети #Коннектом
Её зачинателем стал Эйнштейн 21 века Алберт-Ласло Барабаши.
Сетевая физическая математика – это не просто новый раздел математики, зависящей от физических свойств объектов. Это что-то типа разных таблиц умножения, в зависимости от того, на чем они написаны.
Пять лет назад Алберт-Ласло Барабаши (которого я уже много лет считаю Эйнштейном 21 века) впервые подступился к решению величайшей из загадок: как генетически кодируется устройство хадвера разума — нейронная архитектура связей индивидуального мозга.
1й же этап этой работы дал потрясающий результат. Понятийные аппараты и терминология науки о сложных сетях и нейробиологии наложились друг на друга, создав гремучую смесь с эзотерическим подтекстом (как никак, вопрос на уровне Бога — как в генетике программируется разум). В итоге забрезжила возможность найти «формулу мозга», математически строгую и позволяющую выдвигать и проверять (фальсифицировать) гипотезы о механизмах связи генетики и нейронной архитектуры.
В 2019 году Алберт-Ласло Барабаши опубликовал на пару с сыном Даниэлем (специализирующимся на вычислительной нейробиологии и коннектомике) работу «A Genetic Model of the Connectome». И в день её публикации написал такой твит — «Оставайтесь на связи — в ближайшее время последует математическая обработка результатов, позволяющая набросать уравнение мозга» (подробней см. мой пост).
Однако, с «уравнением мозга» все оказалось куда сложнее.
Существующий математический аппарат предназначен для описания идеальных сетей – эдаких нефизических сущностей, структура и динамика развития которых зависит лишь от конфигурации вершин и ребер описывающего графа.
В реальности же коннектом мозга, сосудистые сети, сеть электропроводов и сеть проводников на подложке микросхемы – это сети с разной физической основой (разной физичностью).
Эта физичность не только определяет правила непересечения ребер, но и фундаментально изменяет структуру сети и возможности ее эволюции.
Кроме того, во многих физических сетях узлы не являются точечными объектами, а физически расширены и объединены на иных сетевых уровнях, что требует разработки соответствующей многоуровневой структуры гиперсетей.
В новой работе Барабаши и его коллег «Понимание влияния физической реальности на структуру сети» для описания реальных физических сетей предложен формализм метаграфов.
В работе показано, что физичность фундаментально изменяет структуру сети. А использование метаграфов позволяет прогнозировать функциональные особенности физической сети. Например, формирование синапсов в коннектоме мозга, в соответствии с эмпирическими данными.
Теперь на очереди разработка моделирующей и аналитической платформы, которая поможет систематически исследовать конкурирующую роль генетики и физической формы сетевых соединений в мозге.
Данная работа дополняет серию прорывных работ Барабаши, формулирующих принципы «сетевой теории относительности».
Ну а дальше, оснащенный новым формализмом и аналитической платформой, Барабаши снова планирует вернуться к поиску «уравнения мозга».
#КомплексныеСети #Коннектом
На пороге коперниканской революции в науках о мозге.
Нейронные сети – лишь грубое дискретное приближение волнового механизма работы мозга.
Мы привыкли думать, что основой всех изучаемых наукой процессов в мозге (от восприятия до сознания) являются триллионы взаимодействий нейронов в гигантской сети (или гиперсети) мозга – коннектоме.
• В этой научной парадигме работают практически все научные центры мира.
• На ее базе строятся почти все теории мышления, познания и сознания человека.
• Она же лежит в основании уподобления коннектому искусственных нейронных сетей, на чем зиждутся большинство гипотез о возможностях масштабирования моделей ИИ до уровня интеллекта людей.
При всем при этом, у данной парадигмы есть один принципиальный недостаток –
ни одна из построенных в ее рамках теорий не позволяет понять организацию и динамику работы мозга на основе структурированных паттернов активности нейронов.
Затык настолько капитален, что впору менять парадигму.
И вот новое исследование под руководством профессора Джеймса Панга из Института Тернера и Школы психологических наук Университета Монаша «Геометрические ограничения на функции человеческого мозга» дало сенсационные результаты.
Авторы решили проверить альтернативную парадигму.
Ее суть в том, что не взаимодействие между различными областями мозга имеет решающее значение для того, как мы думаем, чувствуем и ведем себя, а геометрическая форма мозговых структур.
Основанное на коннектоме дискретное представление работы мозга опирается на абстрактное представление его анатомии, напрямую не учитывающего его физические свойства и пространственное встраивание (то есть геометрию и топологию). Эти характеристики явно включены в альтернативную (не дискретную, а полевую) парадигму, представленную широким классом теорий нейронного поля (NFT).
Согласно NFT, моды, основанные на геометрии мозга, представляют собой более фундаментальное анатомическое представление динамики, чем коннектом.
Для пояснения, авторы исследования используют метафору скрипичной струны.
• Дискретные методы на основе коннектома, подобны попыткам описать звучание скрипичной струны на основе динамики колебаний атомов материала, из которого струна изготовлена.
• Но структурированные паттерны активности возбуждаются почти во всем мозге, точно так же, как музыкальная нота возникает из-за вибраций по всей длине струны скрипки, а не только ее отдельных сегментов.
• Точно так же, как резонансные частоты скрипичной струны определяются ее длиной, плотностью и натяжением, собственные моды мозга определяются его структурными (физическими, геометрическими и анатомическими) свойствами.
Авторы исследования проанализировали 10+ тыс. карт активности МРТ и обнаружили, что собственные моды, определяемые геометрией мозга — его контурами и кривизной — представляют собой самые сильные анатомические ограничения на функции мозга, подобно тому, как форма барабана влияет на звуки, которые он может издавать.
Используя математические модели, авторы исследования подтвердили теоретические предсказания о том, что тесная связь между геометрией и функцией обусловлена волнообразной активностью, распространяющейся по всему мозгу, точно так же, как форма пруда влияет на волновую рябь, образуемую упавшим в воду камнем.
Подробней:
• Популярно
• Научно
• Видео-рассказ на полчаса
От себя добавлю.
Если волновая парадигма работы мозга заменит дискретную, то все наработки и перспективные идеи по созданию ИИ человеческого типа будут спущены в унитаз. И придется начать все с начала. Причем, с принципиально иного начала.
Что никак не уменьшит огромную ценность больших моделей на основе нейросетей в качестве самого могучего из придуманных человечеством инструментов (но лишь инструментов и ничего более).
#Нейронауки #Мозг #Коннектом #NFT
Нейронные сети – лишь грубое дискретное приближение волнового механизма работы мозга.
Мы привыкли думать, что основой всех изучаемых наукой процессов в мозге (от восприятия до сознания) являются триллионы взаимодействий нейронов в гигантской сети (или гиперсети) мозга – коннектоме.
• В этой научной парадигме работают практически все научные центры мира.
• На ее базе строятся почти все теории мышления, познания и сознания человека.
• Она же лежит в основании уподобления коннектому искусственных нейронных сетей, на чем зиждутся большинство гипотез о возможностях масштабирования моделей ИИ до уровня интеллекта людей.
При всем при этом, у данной парадигмы есть один принципиальный недостаток –
ни одна из построенных в ее рамках теорий не позволяет понять организацию и динамику работы мозга на основе структурированных паттернов активности нейронов.
Затык настолько капитален, что впору менять парадигму.
И вот новое исследование под руководством профессора Джеймса Панга из Института Тернера и Школы психологических наук Университета Монаша «Геометрические ограничения на функции человеческого мозга» дало сенсационные результаты.
Авторы решили проверить альтернативную парадигму.
Ее суть в том, что не взаимодействие между различными областями мозга имеет решающее значение для того, как мы думаем, чувствуем и ведем себя, а геометрическая форма мозговых структур.
Основанное на коннектоме дискретное представление работы мозга опирается на абстрактное представление его анатомии, напрямую не учитывающего его физические свойства и пространственное встраивание (то есть геометрию и топологию). Эти характеристики явно включены в альтернативную (не дискретную, а полевую) парадигму, представленную широким классом теорий нейронного поля (NFT).
Согласно NFT, моды, основанные на геометрии мозга, представляют собой более фундаментальное анатомическое представление динамики, чем коннектом.
Для пояснения, авторы исследования используют метафору скрипичной струны.
• Дискретные методы на основе коннектома, подобны попыткам описать звучание скрипичной струны на основе динамики колебаний атомов материала, из которого струна изготовлена.
• Но структурированные паттерны активности возбуждаются почти во всем мозге, точно так же, как музыкальная нота возникает из-за вибраций по всей длине струны скрипки, а не только ее отдельных сегментов.
• Точно так же, как резонансные частоты скрипичной струны определяются ее длиной, плотностью и натяжением, собственные моды мозга определяются его структурными (физическими, геометрическими и анатомическими) свойствами.
Авторы исследования проанализировали 10+ тыс. карт активности МРТ и обнаружили, что собственные моды, определяемые геометрией мозга — его контурами и кривизной — представляют собой самые сильные анатомические ограничения на функции мозга, подобно тому, как форма барабана влияет на звуки, которые он может издавать.
Используя математические модели, авторы исследования подтвердили теоретические предсказания о том, что тесная связь между геометрией и функцией обусловлена волнообразной активностью, распространяющейся по всему мозгу, точно так же, как форма пруда влияет на волновую рябь, образуемую упавшим в воду камнем.
Подробней:
• Популярно
• Научно
• Видео-рассказ на полчаса
От себя добавлю.
Если волновая парадигма работы мозга заменит дискретную, то все наработки и перспективные идеи по созданию ИИ человеческого типа будут спущены в унитаз. И придется начать все с начала. Причем, с принципиально иного начала.
Что никак не уменьшит огромную ценность больших моделей на основе нейросетей в качестве самого могучего из придуманных человечеством инструментов (но лишь инструментов и ничего более).
#Нейронауки #Мозг #Коннектом #NFT
SciTechDaily
Century-Old Paradigm Overturned – Brain Shape Matters More Than Neural Connectivity
The shape of our brain rather than the interactions between various regions, plays a pivotal role in influencing our thoughts, emotions, and actions. For over a hundred years, scientists have held the belief that our thoughts, feelings, and dreams are shaped…