Пространственное расположение тормозных связей влияет на критичность нейросетей

Моделирование показало, что на критичность нейронной сети влияет не только число тормозных связей, но и расстояние между соединёнными нейронами. Длинные тормозные связи из-за задержек передачи сигнала могут ослаблять торможение и способствовать более широкому распространению нейронной активности.

Критичностью называют состояние на границе между режимом, в котором активность быстро затухает, и режимом, в котором она легко распространяется по сети. Вблизи этой границы небольшое возбуждение может остаться локальным или вызвать волну активности разного масштаба. Предполагается, что такой режим может поддерживать эффективную обработку и передачу информации, однако механизмы его возникновения до конца не ясны.

Исследование провела команда под руководством доцента Зенаса Чао из Международного исследовательского центра нейроинтеллекта при Токийском университете. Результаты опубликованы 1 октября 2026 года в журнале PLOS Computational Biology. В работе использовали компьютерную модель, а не измерения активности мозга.

В модели 80 возбуждающих и 20 тормозных нейронов случайным образом разместили на двумерном диске радиусом 2 мм. Параметры возбуждающих связей оставались неизменными, а максимальную дальность и вероятность тормозных соединений варьировали, получив 25 вариантов сети. Исследователи создали 10 наборов таких сетей и моделировали каждый вариант в течение 15 часов, начиная с нулевой силы синаптических связей. Для анализа критичности они использовали последние два часа, когда система достигала устойчивого состояния.

В большинстве условий сеть находилась в сверхкритическом режиме, при котором активность распространяется особенно легко. Критическое состояние встречалось реже и чаще наблюдалось при средней или высокой плотности тормозных связей. При самой высокой плотности преобладал подкритический режим, в котором активность затухает. Эти результаты согласуются с представлением о важности баланса возбуждения и торможения.

При этом расстояние между нейронами меняло поведение сети независимо от плотности связей: сети с более дальними тормозными соединениями чаще становились сверхкритическими, чем сети с таким же числом коротких связей. По объяснению авторов, сигнал по длинному пути приходит с задержкой, поэтому тормозное воздействие оказывается слабее и нейронные волны могут разрастаться сильнее.

«Наши результаты показывают, что на критичность сети влияют не только число тормозных связей, но и их пространственное расположение и задержки передачи сигнала», — отметил Чао.

Авторы считают, что учёт расстояний и задержек может помочь при создании более устойчивых и адаптивных искусственных нейросетей. В дальнейшем такой подход также может помочь исследовать, как генетические и developmental факторы, меняющие тормозные связи, влияют на работу мозга.

Оригинал этой публикации впервые появился на medstand.ru.