Новые разработки в компьютерной модели работы тканей мозга.
Российские ученые создали нейросеть, которая воспроизводит работу не только нейронов, но и вспомогательных клеток мозга – астроцитов.
Согласно научным данным, астроциты участвуют в работе нейронов – они отвечают за синхронность передачи нервных сигналов. Нейросеть смогла правильно закодировать и воспроизвести визуальную информацию. По словам ученых, это исследование поможет лучше понять принципы работы человеческого мозга, а также позволит усовершенствовать системы искусственного интеллекта. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. Результаты опубликованы в журнале Entropy.
Ученые из Нижегородского государственного университета, под руководством кандидата физико-иатематических наук Сергея Стасенко и доктора физико-иатематических наук Виктора Казанцева разработали нейронную сеть, математически имитирующую взаимодействие живых нейронов со вспомогательными клетками мозга – астроцитами. Программа смогла смоделировать процесс передачи и воспроизведения визуальных сигналов в головном мозге. В мозге человека, помимо нейронов, есть вспомогательные ткани (глия), клетки которых окружают и поддерживают нервные волокна. Один из типов клеток глии называется астроцитами – последние научные исследования показали, что они участвуют в синаптической (синапс – специализированный контакт между нервными клетками, обеспечивающий передачу сигнала) передаче сигнала, а также защищают нейроны от перевозбуждения и очищают передаваемые внутри нервной системы сигналы от искажений.
Поэтому при создании нейросетей, имитирующих работу человеческого мозга, важно моделировать работу не только нейронов, но также астроцитов, отмечают авторы исследования. Под нейронной сетью подразумевается математическая модель, которая воспроизводит алгоритмы работы биологической нервной системы. Как и настоящие нервные системы, алгоритм выдает определенный ответ на поступившие извне сигналы.
За основу авторы разработки взяли спайковую нейронную сеть, в которой каждый отдельный элемент является моделью биологического нейрона. Такие искусственные нейроны обмениваются короткими импульсами (спайками) одинаковой амплитуды. Ученые внедрили в нейросеть данные о функциях астроцитов в синаптической передаче (контакт между нервными клетками). Далее они изучили механизм астроцитарной регуляции работы нейронов в ответ на сенсорные возбуждения. Для этого авторы исследования очень быстро прогоняли через нейросеть однотонные черные изображения цифр от 0 до 9, закодированные в виде матрицы при помощи 0 и 1, где 0 означал пиксель без цвета, а 1 – пиксель черного цвета. Загруженные в нейросеть изображения стимулировали работу не только отдельных нейронов, но и множества искусственных клеток. Ученые сравнили разработанную нейронную сеть с моделью, в которой не учитывались данные об астроцитарной регуляции. Оказалось, что именно астроциты отвечают за синхронизацию нейронов, что позволяет модели правильно закодировать полученную визуальную информацию и потом ее воспроизвести.
«Мы исследовали математическую модель, состоящую из нейронной сети с пикированием (SNN), взаимодействующей с астроцитами. Мы проанализировали, как информационное содержимое в виде двумерных изображений может быть представлено SNN в виде пространственно-временного шаблона пикирования. SNN включает возбуждающие и тормозящие нейроны в некоторой пропорции, поддерживая баланс возбуждения и торможения при автономной работе. Астроциты, сопровождающие каждый возбуждающий синапс, обеспечивают медленную модуляцию силы синаптической передачи. Информационное изображение было загружено в сеть в виде распределенных во времени импульсов возбуждающей стимуляции, воспроизводящих форму изображения. Мы обнаружили, что астроцитарная модуляция предотвращала гипервозбуждение SNN, вызванное стимуляцией, и непериодическую импульсную активность. Такая гомеостатическая астроцитарная регуляция активности нейронов позволяет восстановить изображение, полученное во время стимуляции и утраченное на растровой диаграмме активности нейронов из-за непериодического возбуждения нейронов. С биологической точки зрения наша модель показывает, что астроциты могут действовать как дополнительный адаптивный механизм для регуляции нервной активности, которая имеет решающее значение для сенсорных представлений в коре головного мозга».
«Следовательно, полученные результаты помогут лучше понять, как кодируется информация в мозге. Также разработка нейронной сети с помехоустойчивостью и возможностью управления динамикой искусственных нейронов будет крайне полезна в области развития систем искусственного интеллекта и анализа данных», – отметил руководитель проекта, кандидат физико-математических наук Сергей Стасенко.
Источник: Entropy. 1.05.2023
