Efficiency in neural information processing

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2012121810323
Title: Efficiency in neural information processing
Author: Knuutila, Antti
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Behavioural Sciences, Institute of Behavioural Sciences
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2012
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2012121810323
http://hdl.handle.net/10138/37868
Thesis level: master's thesis
Abstract: Brains are capable of processing information with remarkable efficiency under constraints set by the limited supply of physical resources such as the amount of space and the availability of metabolic energy. Natural selection has optimised the structure and function of brain networks using simple design rules similar to those found in man-made electronic and information systems. This study presents findings concerning a number of general principles of brain design governing the evolution and organisation of neural information processing. The rule of minimising wiring in neuronal networks is one such principle operating on multiple levels of brain organisation. Both individual components and larger brain architectural units are seen to feature characteristics of near-optimal wiring. Miniaturisation of neuronal components conserves space but raises problems about noise in signalling. Small-world organisation of anatomical and functional networks is widely employed in the brain, contributing to high global efficiency at low cost. Metabolic costs severely constrain signal traffic in the human brain, necessitating the use of energy-efficient sparse neural representations. Extensive evidence is presented of anatomical and physiological optimisations facilitating efficient information processing in brain networks. Limitations of current experimental techniques are discussed, with a view on possible future avenues of research.Aivojen tiedonkäsittely on huomattavan tehokasta vallitsevien fysikaalisten rajoitteiden puitteissa, jotka liittyvät muun muassa tilan ja metabolisen energian käyttöön keskushermostossa. Luonnonvalinta pyrkii optimoimaan aivoissa toimivien rakenteellisten ja toiminnallisten verkostojen toiminnan yksinkertaisten sääntöjen pohjalta. Nämä säännöt ovat monesti huomattavan samankaltaisia kuin ihmisen suunnittelemissa elektronisissa laitteissa ja tietoverkoissa. Tämä tutkielma esittelee joukon aivojen tiedonkäsittelyn evolutiivista historiaa, kehitystä ja toimintaa ohjaavia yleisiä suunnittelun periaatteita sekä niihin liittyviä tutkimustuloksia. Keskushermoston rakenteeseen laajalti vaikuttava kaapeloinnin minimoinnin periaate on eräs tällainen sääntö, joka vaikuttaa sekä yksittäisten hermosolujen että kokonaisten aivoalueiden rakenteeseen ja sijoitteluun. Yksittäisten hermosolujen pienentäminen säästää tilaa, mutta vaikeuttaa viestintää kasvattamalla satunnaisen aktiviteetin eli kohinan määrää hermosoluissa. Sekä aivojen rakenteellisissa että toiminnallisissa verkostoissa havaitaan monin niin kutsuttu pieni maailma tyyppinen rakenne, joka tuottaa tehokkaan verkostorakenteen verrattain pienillä biologisilla kustannuksilla. Hermoviestinnän metaboliset kustannukset puolestaan rajoittavat hermoimpulssien määrää ja luovat evolutiivisen paineen muodostaa tehokkaita neuraalisia representaatioita. Esitelty kirjallisuus tarjoaa runsaasti todisteita aivojen tiedonkäsittelyn rakenteellisesta ja toiminnallisesta tehokkuudesta. Lopuksi käsitellään nykyisten tutkimusmetodien rajoituksia ja avoimeksi jääviä kysymyksiä.
Subject: optimisation
efficiency
adaptation
wiring minimisation
noise
neural representation
small-world networks
optimointi
tehokkuus
adaptaatio
kaapeloinnin minimointi
kohina
neuraaliset representaatiot
pieni maailma -verkostot
Discipline: Cognitive science
Kognitiotiede
Kognitionsvetenskap
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
efficien.pdf 1.763Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record