RSS-ленты
РусскийEnglish
Выпуск 11, 2024
Том год страница
Выпуски Авторы PACS Подписчикам Для авторов

Выпуски

 / 

2023

 / 

Декабрь

←  →

Обзоры актуальных проблем


Стохастические процессы в нейронной сети головного мозга и их влияние на восприятие и принятие решений

†  а, ‡  б, в
а Center for Biomedical Technology Technical University of Madrid, Campus Montegancedo, Pozuelo de Alarcón, Madrid, 28223, Spain
б Балтийский центр нейротехнологий и искусственного интеллекта, Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта, ул. Александра Невского 14 , Калининград, 236041, Российская Федерация
в Саратовский государственный медицинский университет им. В. И. Разумовского, ул. Большая Казачья 112, Саратов, 410012, Российская Федерация

Статья посвящена вопросам влияния стохастической динамики нейронных ансамблей мозга на восприятие и обработку сенсорной информации, а также принятия решений на её основе. Рассмотрены источники шума в нервной системе при обработке сенсорной информации, а также некоторые стратегии нервной системы для компенсации или учёта стохастических процессов. Обсуждаются эксперименты и математические модели, где при восприятии сенсорной информации существенную роль начинает играть стохастическая динамика мозга. При этом особое внимание уделено таким парадигмам исследования шума в мозге, как восприятие слабых стимулов, близких к порогу чувствительности, и бистабильных неоднозначных стимулов. Описаны методы оценки шума мозга как с помощью психофизических экспериментов, так и в результате непосредственного анализа данных нейровизуализации. В заключение рассматриваются некоторые вопросы применения концепции стохастической динамики мозга в задачах биомедицинской диагностики различных неврологических заболеваний.

Текст: pdf (Полный текст предоставляется по подписке)
English fulltext is available at DOI: 10.3367/UFNe.2022.12.039309
Ключевые слова: нейронные сети, головной мозг, стохастический процесс, восприятие, математические модели, психофизика, стохастический/когерентный резонанс, анализ электроэнцефалограмм и магнитоэнцефалограмм
PACS: 05.45.−a, 87.19.L−, 87.85.−d (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2022.12.039309
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2023/12/c/
001172931200004
2-s2.0-85177602649
2023PhyU...66.1224P
Цитата: Писарчик А Н, Храмов А Е "Стохастические процессы в нейронной сети головного мозга и их влияние на восприятие и принятие решений" УФН 193 1298–1324 (2023)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 8 декабря 2022, 27 декабря 2022

English citation: Pisarchik A N, Hramov A E “Stochastic processes in the brain's neural network and their impact on perception and decision-making” Phys. Usp. 66 1224–1247 (2023); DOI: 10.3367/UFNe.2022.12.039309

Список литературы (224) ↓ Статьи, ссылающиеся на эту (2) Похожие статьи (20)

  1. Трубецков Д И, Мчедлова Е С, Красичков Л В Введение в теорию самоорганизации открытых систем (М.: Физматлит, 2005)
  2. Knobloch E Nonlinearity 21 (4) T45 (2008)
  3. Goldbeter A Philos. Trans. R. Soc. A 376 20170376 (2018)
  4. Белинцев Б Н УФН 141 55 (1983); Belintsev B N Sov. Phys. Usp. 26 775 (1983)
  5. Кернер Б С, Осипов В В УФН 160 (9) 1 (1990); Kerner B S, Osipov V V Sov. Phys. Usp. 33 679 (1990)
  6. Медвинский А Б и др УФН 172 31 (2002); Medvinskii A B et al Phys. Usp. 45 27 (2002)
  7. Ванаг В К УФН 174 991 (2004); Vanag V K Phys. Usp. 47 923 (2004)
  8. Некоркин В И УФН 178 313 (2008); Nekorkin V I Phys. Usp. 51 295 (2008)
  9. Будаев В П, Савин С П, Зёленый Л М УФН 181 905 (2011); Budaev V P, Savin S P, Zelenyi L M Phys. Usp. 54 875 (2011)
  10. Земсков Е П УФН 184 1149 (2014); Zemskov E P Phys. Usp. 57 1035 (2014)
  11. Стрелкова Г И, Анищенко В С УФН 190 160 (2020); Strelkova G I, Anishchenko V S Phys. Usp. 63 145 (2020)
  12. Schlosshauer M Phys. Rep. 831 1 (2019)
  13. Анищенко В С и др УФН 169 7 (1999); Anishchenko V S et al Phys. Usp. 42 7 (1999)
  14. Климонтович Ю Л УФН 169 39 (1999); Klimontovich Yu L Phys. Usp. 42 37 (1999)
  15. Mantegna R N, Spagnolo B Phys. Rev. Lett. 76 563 (1996)
  16. Parrondo J M R et al Physica A 224 153 (1996)
  17. Ghodrati M Phys. Rev. D 98 106011 (2018)
  18. Gursoy M C, Nasiri-Kenari M, Mitra U Digital Signal Process. 124 103161 (2022)
  19. Wang B-X et al npj Quantum Inf. 4 52 (2018)
  20. Yu D et al Chaos Solitons Fractals 157 111929 (2022)
  21. Guérin P A, Rubino G, Brukner Č Phys. Rev. A 99 062317 (2019)
  22. Deco G, Romo R Trends Neurosci. 31 (11) 591 (2008)
  23. Biondo A E et al PloS ONE 8 (7) e68344 (2013)
  24. Колмогоров A H Успехи математических наук (5) 5 (1938)
  25. Хинчин А Я Успехи математических наук (5) 42 (1938)
  26. Слуцкий E E Избранные труды: теория вероятностей, математическая статистика (М.: Изд-во АН СССР, 1960)
  27. Tolhurst D J, Movshon J A, Dean A F Vision Res. 23 775 (1983)
  28. Schuster H G, Just W Deterministic Chaos. An Introduction 4th rev. enlarg. ed. (Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 2005)
  29. Marder E, Goaillard J-M Nat. Rev. Neurosci. 7 563 (2006)
  30. Muotri A R, Gage F H Nature 441 1087 (2006)
  31. Marder E Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108 (suppl._3) 15542 (2011)
  32. Renart A, Machens C K Curr. Opin. Neurobiol. 25 211 (2014)
  33. Stein R B, Gossen E R, Jones K E Nat. Rev. Neurosci. 6 389 (2005)
  34. Faisal A A, Selen L P J, Wolpert D M Nat. Rev. Neurosci. 9 292 (2008)
  35. McDonnell M D, Ward L M Nat. Rev. Neurosci. 12 415 (2011)
  36. Bialek W Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem. 16 455 (1987)
  37. Bialek W, Setayeshgar S Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102 10040 (2005)
  38. Lillywhite P G, Laughlin S B Nature 277 569 (1979)
  39. Cover T M, Thomas J A Elements of Information Theory (New York: John Wiley and Sons, 1991) p. 279
  40. Baddeley R, Hancock P J, Földiák P (Eds) Information Theory and the Brain (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2000)
  41. Mainen Z F, Sejnowski T J Science 268 1503 (1995)
  42. De Ruyter van Steveninck R R et al Science 275 1805 (1997)
  43. Hofmann V, Chacron M J Front. Integr. Neurosci. 12 56 (2018)
  44. Saxena S, Cunningham J P Curr. Opin. Neurobiol. 55 103 (2019)
  45. Rieke F et al Spikes: Exploring the Neural Code (Cambridge, MA: MIT Press, 1999)
  46. Bair W Curr. Opin. Neurobiol. 9 447 (1999)
  47. Panzeri S et al Neuron 29 769 (2001)
  48. Billimoria C P et al J. Neurosci. 26 5910 (2006)
  49. van Gils T et al Neural Comput. 31 1789 (2019)
  50. Häusser M, Spruston N, Stuart G J Science 290 739 (2000)
  51. Stuart G J, Häusser M Nat. Neurosci. 4 63 (2001)
  52. Fairhall A L et al Nature 412 787 (2001)
  53. Weber A I, Fairhall A L Curr. Opin. Neurobiol. 58 135 (2019)
  54. Zhurov Yu, Brezina V J. Neurosci. 26 7056 (2006)
  55. Sober S J et al Trends Neurosci. 41 644 (2018)
  56. Bialek W et al Advances in Neural Information Processing Systems 2. NIPS Conf., Denver, Colorado, USA, November 27-30, 1989 (Ed. D S Touretzky) (San Francisco, CA: Morgan Kaufmann Publ. Inc., 1990) p. 36
  57. Cover T M Elements of Information Theory (New York: John Wiley and Sons, 1999)
  58. Softky W R, Koch C Neural Comput. 4 643 (1992)
  59. Tomko G J, Crapper D R Brain Res. 79 405 (1974)
  60. Gur M, Beylin A, Snodderly D M J. Neurosci. 17 2914 (1997)
  61. DeWeese M R, Wehr M, Zador A M J. Neurosci. 23 7940 (2003)
  62. Azouz R, Gray C M J. Neurosci. 19 2209 (1999)
  63. Deco G, Hugues E PLoS Comput. Biol. 8 (3) e1002395 (2012)
  64. Huang C et al Neuron 101 337 (2019)
  65. Schneidman E, Freedman B, Segev I Neural Comput. 10 1679 (1998)
  66. White J A, Rubinstein J T, Kay A R Trends Neurosci. 23 (3) 131 (2000)
  67. Yu H et al Physica A 471 263 (2017)
  68. Faisal A A, White J A, Laughlin S B Curr. Biol. 15 1143 (2005)
  69. Faisal A A, Laughlin S B PLoS Comput. Biol. 3 (5) e79 (2007)
  70. Cecchi G A et al Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97 5557 (2000)
  71. Fellous J-M et al Neuroscience 122 811 (2003)
  72. Rusakov D A, Savtchenko L P, Latham P E Trends Neurosci. 43 (6) 363 (2020)
  73. Stuart G J, Sakmann B Nature 367 69 (1994)
  74. Stevens C F, Zador A M Nat. Neurosci. 1 210 (1998)
  75. Wehr M, Zador A M Nature 426 442 (2003)
  76. Wang S-Q et al Nature 410 592 (2001)
  77. Lou X, Scheuss V, Schneggenburger R Nature 435 497 (2005)
  78. Bekkers J M, Richerson G B, Stevens C F Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87 5359 (1990)
  79. Zucker R S, Regehr W G Annu. Rev. Physiol. 64 355 (2002)
  80. Redman S Physiol. Rev. 70 (1) 165 (1990)
  81. Jack J J B et al Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 55 57 (1990)
  82. Sylantyev S et al Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110 5193 (2013)
  83. Jensen T P et al Nat. Commun. 10 1414 (2019)
  84. Sulzer D, Edwards R Neuron 28 (1) 1 (2000)
  85. Wu X-S et al J. Neurosci. 27 3046 (2007)
  86. Franks K M, Stevens C F, Sejnowski T J J. Neurosci. 23 3186 (2003)
  87. Nimchinsky E A et al J. Neurosci. 24 2054 (2004)
  88. Paulsson J Nature 427 415 (2004)
  89. Lindner B et al Phys. Rep. 392 321 (2004)
  90. Burkitt A N Biol. Cybern. 95 97 (2006)
  91. Ma J, Tang J Sci. China Technol. Sci. 58 2038 (2015)
  92. Lin H et al Nonlinear Dyn. 106 959 (2021)
  93. Turrigiano G G et al Nature 391 892 (1998)
  94. Niven J E et al Nature 421 630 (2003)
  95. Bloss E B et al Nat. Neurosci. 21 353 (2018)
  96. Zador A J. Neurophysiol. 79 1219 (1998)
  97. Manwani A, Koch C Neural Comput. 13 (1) 1 (2001)
  98. Tarr T B, Dittrich M, Meriney S D Trends Neurosci. 36 (1) 14 (2013)
  99. Maršálek P, Koch C, Maunsell J Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 735 (1997)
  100. Poliakov A V, Powers R K, Binder M D J. Physiol. 504 401 (1997)
  101. Deweese M R, Zador A M J. Neurophysiol. 92 1840 (2004)
  102. de Lafuente V, Romo R Nat. Neurosci. 8 1698 (2005)
  103. de Lafuente V, Romo R Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103 14266 (2006)
  104. Pisarchik A N, Hramov A E Multistability in Physical and Living Systems: Characterization and Applications (Springer Series in Synergetics) (Cham: Springer, 2022)
  105. Green D M, Swets J A Signal Detection Theory and Psychophysics Vol. 1 (New York: Wiley, 1966)
  106. Deco G et al Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104 20073 (2007)
  107. Brunel N, Wang X-J J. Comput. Neurosci. 11 63 (2001)
  108. Deco G et al PLoS Comput. Biol. 4 (8) e1000092 (2008)
  109. Smith P L, Ratcliff R Trends Neurosci. 27 (3) 161 (2004)
  110. Roxin A, Ledberg A PLoS Comput. Biol. 4 (3) e1000046 (2008)
  111. Buzsáki G, Draguhn A Science 304 1926 (2004)
  112. Ouyang G et al NeuroImage 205 116304 (2020)
  113. Gang H et al Phys. Rev. Lett. 71 807 (1993)
  114. Benzi R, Sutera A, Vulpiani A J. Phys. A 14 L453 (1981)
  115. Pikovsky A S, Kurths J Phys. Rev. Lett. 78 775 (1997)
  116. Pisarchik A N et al Sci. Rep. 9 18325 (2019)
  117. Andreev A V et al Chaos Solitons Fractals 106 80 (2018)
  118. Toral R, Mirasso C R, Gunton J D Europhys. Lett. 61 162 (2003)
  119. Wang Q et al Phys. Rev. E 80 026206 (2009)
  120. Lacasta A M, Sagués F, Sancho J M Phys. Rev. E 66 045105 (2002)
  121. Simonotto E et al Phys. Rev. Lett. 78 1186 (1997)
  122. Pisarchik A N, Hramov A E Phys. Rep. 1000 1 (2023)
  123. Pisarchik A N, Chholak P, Hramov A E Chaos Solitons Fractals X 1 100005 (2019)
  124. Huidobro N et al Neurosci. Lett. 664 51 (2018)
  125. van der Groen O, Wenderoth N J. Neurosci. 36 5289 (2016)
  126. van der Groen O et al PLoS Comput. Biol. 14 (7) e1006301 (2018)
  127. Mendez-Balbuena I et al J. Neurosci. 32 12612 (2012)
  128. Ferrera V P, Rudolph K K, Maunsell J H J. Neurosci. 14 6171 (1994)
  129. Shadlen M N, Newsome W T J. Neurophysiol. 86 1916 (2001)
  130. Hebb D O The Organization of Behavior; a Neuropsychological Theory (New York: Wiley, 1949)
  131. Köhler W, Wallach H Proc. Am. Philos. Soc. 88 269 (1944)
  132. Burns B D The Uncertain Nervous System (London: Edward Arnold, 1968)
  133. Sterzer P, Kleinschmidt A, Rees G Trends Cogn. Sci. 13 (7) 310 (2009)
  134. Carter O L, Pettigrew J D Perception 32 295 (2003)
  135. Moreno-Bote R, Rinzel J, Rubin N J. Neurophysiol. 98 1125 (2007)
  136. Pisarchik A N et al Biol. Cybern. 108 397 (2014)
  137. Lago-Fernández L F, Deco G Neurocomputing 44-46 503 (2002)
  138. Laing C R, Chow C C J. Comput. Neurosci. 12 39 (2002)
  139. Wilson H R, Blake R, Lee S-H Nature 412 907 (2001)
  140. Huguet G, Rinzel J, Hupé J-M J. Vision 14 (3) 19 (2014)
  141. Urakawa T, Bunya M, Araki O Cogn. Neurodyn. 11 307 (2017)
  142. Haken H Synergetic Computers and Cognition: A Top-Down Approach to Neural Nets (Berlin: Springer, 2004)
  143. Jaimes-Reátegui R et al Discontinuity Nonlinearity Complex 9 (1) 167 (2020)
  144. Chholak P, Hramov A E, Pisarchik A N Nonlinear Dyn. 100 3695 (2020)
  145. Chholak P et al Front. Hum. Neurosci. 14 555 (2020)
  146. Merk I, Schnakenberg J Biol. Cyber. 86 111 (2002)
  147. Meilikhov E Z, Farzetdinova R M Cogn. Neurodyn. 13 613 (2019)
  148. Maksimenko V A et al PloS ONE 12 (12) e0188700 (2017)
  149. Maksimenko V A et al Nonlinear Dyn. 95 1923 (2019)
  150. Runnova A E et al Chaos Solitons Fractals 93 201 (2016)
  151. Poston T, Stewart I Catastrophe Theory and Its Applications (London: Pitman, 1978)
  152. Miller K J J. Neurosci. 30 6477 (2010)
  153. He B J Trends Cogn. Sci. 18 (9) 480 (2014)
  154. Karpov O E et al Phys. Rev. E 103 022310 (2021)
  155. Wilkat T, Rings T, Lehnertz K Chaos 29 091104 (2019)
  156. Boccaletti S, Pisarchik A N, del Genio C I, Amann A Synchronization: from Coupled Systems to Complex Networks (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2018)
  157. Chholak P, Kurkin S A, Hramov A E, Pisarchik A N Appl. Sci. 11 375 (2021)
  158. Hramov A E, Maksimenko V A, Pisarchik A N Phys. Rep. 918 1 (2021)
  159. Hong S L, Rebec G V Front. Aging Neurosci. 4 27 (2012)
  160. Li S-C, Lindenberger U, Sikström S Trends Cogn. Sci. 5 (11) 479 (2001)
  161. Serletis D et al Ann. Biomed. Eng. 39 1768 (2011)
  162. Cremer R, Zeef E J J. Gerontol. 42 515 (1987)
  163. Davis G, Plaisted-Grant K Autism 19 351 (2015)
  164. Milne E Front. Psychol. 2 51 (2011)
  165. Belmonte M K et al Mol. Psychiatry 9 646 (2004)
  166. Domínguez L G, Velázquez J L P, Galán R F PLoS ONE 8 (4) e61493 (2013)
  167. Minshew N J, Williams D L Arch. Neurol. 64 945 (2007)
  168. Mohammad-Rezazadeh I et al Curr. Opin. Neurol. 29 137 (2016)
  169. Sysoeva O et al Sci. Rep. 13 12932 (2023)
  170. Ebrahimi-Fakhari D, Sahin M Curr. Opin. Neurol. 28 91 (2015)
  171. Храмов А Е и др УФН 191 614 (2021); Hramov A E et al Phys. Usp. 64 584 (2021)
  172. Smit D J A et al Human Brain Mapping 29 1368 (2008)
  173. Iossifov I et al Nature 515 216 (2014)
  174. Winterer G et al Clin. Neurophysiol. 111 837 (2000)
  175. Schmitt N Psychol. Assess. 8 350 (1996)
  176. Winterer G et al Am. J. Psychiatry 161 490 (2004)
  177. Kishore V, Santhanam M S, Amritkar R E Phys. Rev. Lett. 106 188701 (2011)
  178. Boers N et al Nat. Commun. 5 5199 (2014)
  179. Albeverio S, Jentsch V, Kantz H (Eds) Extreme Events in Nature and Society (Berlin: Springer, 2006)
  180. Osorio I et al Phys. Rev. E 82 021919 (2010)
  181. Kuhlmann L et al Nat. Rev. Neurol. 14 618 (2018)
  182. Frolov N, Hramov A Chaos 31 063103 (2021)
  183. Frolov N, Hramov A Phys. Rev. E 106 044301 (2022)
  184. Gloor P, Fariello R G Trends Neurosci. 11 (2) 63 (1988)
  185. Frolov N S et al Sci. Rep. 9 7243 (2019)
  186. Pisarchik A N et al Eur. Phys. J. Spec. Top. 227 921 (2018)
  187. Bak P, Tang C, Wiesenfeld K Phys. Rev. Lett. 59 381 (1987)
  188. Corbalán R et al Phys. Rev. A 51 663 (1995)
  189. Huerta-Cuellar G et al Phys. Rev. E 79 036204 (2009)
  190. Pisarchik A N, Pochepen O N, Pisarchyk L A PLoS ONE 7 e46582 (2012)
  191. Stolbova V et al Geophys. Res. Lett. 43 3982 (2016)
  192. Bakdash J Z, Marusich L R Front. Psychol. 8 456 (2017)
  193. Scheffer M et al Nature 461 53 (2009)
  194. Meisel C, Kuehn C PLoS ONE 7 e30371 (2012)
  195. Chang W-C et al Nat. Neurosci. 21 1742 (2018)
  196. Maturana M I et al Nat. Commun. 11 2172 (2020)
  197. Maksimenko V A et al Sci. Rep. 7 2487 (2017)
  198. Pisarchik A N, Maksimenko V A, Hramov A E J. Med. Internet Res. 21 e16356 (2019)
  199. Cortes-Briones J A et al Biol. Psychiatry 78 805 (2015)
  200. D'Souza D C et al Neuropsychopharmacology 37 1632 (2012)
  201. Lempel A, Ziv J IEEE Trans. Inform. Theory 22 75 (1976)
  202. Friedman D, Simpson G, Hamberger M Psychophysiology 30 383 (1993)
  203. Rossini P M, Rossi S Neurology 68 484 (2007)
  204. Allen P A, Coyne A C Exp. Aging Res. 14 (3) 143 (1988)
  205. Allen P A, Coyne A C Exp. Aging Res. 14 (3) 151 (1988)
  206. Allen P A Cogn. Dev. 5 177 (1990)
  207. Myerson J et al Psychol. Rev. 97 475 (1990)
  208. Allen P A, Madden D J, Crozier L C Psychol. Aging 6 261 (1991)
  209. Allen P A et al J. Gerontol. 47 (2) P69 (1992)
  210. Allen P A et al J. Gerontol. 47 (5) P344 (1992)
  211. Reuter-Lorenz P, Sylvester C Cognitive Neuroscience of Aging: Linking Cognitive and Cerebral Aging (Eds R Cabeza, L Nyberg, D Park) (Oxford: Oxford Univ. Press, 2005) p. 186
  212. Fjell A M, Walhovd K B Rev. Neurosci. 21 (3) 187 (2010)
  213. Raz N et al Cerebral Cortex 15 1676 (2005)
  214. Crossman E R, Szafran J Experientia (Suppl. 4) 128 (1956)
  215. Voytek B et al J. Neurosci. 35 13257 (2015)
  216. Podvalny E et al J. Neurophysiol. 114 505 (2015)
  217. Dave S, Brothers T A, Swaab T Y Brain Res. 1691 34 (2018)
  218. Lalwani P, Garrett D D, Polk T A J. Neurosci. 41 9350 (2021)
  219. Li S-C et al Neurosci. Biobehav. Rev. 30 775 (2006)
  220. Li S C, von Oertzen T, Lindenberger U Neurocomputing 69 1553 (2006)
  221. Attwell D, Laughlin S B J. Cereb. Blood Flow Metab. 21 1133 (2001)
  222. Balasubramanian V, Kimber D, Berry M J (II) Neural Comput. 13 799 (2001)
  223. De Polavieja G G J. Theor. Biol. 214 657 (2002)
  224. Yu L, Yu Y J. Neurosci. Res. 95 2253 (2017)
© Успехи физических наук, 1918–2024
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение