Оценка объёма вычислений, выполняемых мозгом, по популяционной нейронной активности

Многие динамические системы — от генетических цепей до человеческого мозга и социальных систем — часто характеризуют как вычислительные. Несмотря на то, что их динамика широко изучена, лежащие в её основе вычисления часто остаются неясными. Даже фундаментальная задача количественной оценки объёма вычислений, выполняемых динамической системой, исследована недостаточно. В этом исследовании мы представляем независимую от задачи методику для оценки объёма вычислений, реализованных наблюдаемой системой на основе эмпирических временных рядов её динамики. Методика формирует статистическую реконструкцию этой динамики и определяет объём вычислений через показатели сложности и достоверности (фиделити). Мы валидируем подход, показывая, что он корректно различает относительный объём вычислений в разных режимах динамики системы Лоренца и в различных вычислительных классах клеточных автоматов. Затем мы применяем эту методику к записям активности всего мозга Caenorhabditis elegans и к крупномасштабным популяционным записям коры мыши. Мы обнаруживаем, что высокие и низкие объёмы вычислений лежат в основе нейронной динамики свободно движущихся и неподвижных червей. Наш анализ также проливает свет на объём вычислений, выполняемых C. elegans в различных состояниях локомоции. При применении к крупномасштабным электрофизиологическим записям коры мыши во время задачи визуального принятия решений методика восстанавливает реальную (ground-truth) сложность задачи, приписывая больший объём вычислений более трудным испытаниям, где сенсорные входы неоднозначны. В итоге наше исследование предлагает мощную методику для количественной оценки объёма вычислений, выполняемых системой на основании временных рядов её динамики, и подчёркивает нейронные вычисления как у простых, так и у сложных организмов.