новые горизонты для физиков: передача сигналов в нейронных

НЕЙРОННЫЕ СЕТИ: от межклеточных взаимодействий до
функциональных систем
Топология сети
ИПФ РАН, ННГУ, НижГМА,
2009
Объект исследования – нейронные сети
Клетки с помощью
электро-химических
связей образуют сети
Нейроны
размером 10-15
мкм
Биоэлектрический импульс с
амплитудой 80-100 мВ
Длительностью 1-1.5 мс
Нейронные сети можно моделировать
А
•
Иску́сственные нейро́нные се́ти (ИНС)
— математические модели, а также их
программные
или
аппаратные
реализации, построенные по принципу
организации
и
функционирования
биологических нейронных сетей.
Б
Простейшая пороговая модель нейрона (А),
Искусственная нейронная сеть (Б)
Как изучают мозг?
Молекулы
нейрон
Сеть
нейронов
Мозг
Поведение
Как работает мозг? Принципиальные
вопросы
•
•
•
Получение и представление информации в мозге
Связывание сенсорной информации в единый контекст
Классификация информации, принятие решения и его исполнение
Клеточный уровень
“Носители” информации – импульсы электрического возбуждения.
Кодирование – частотное и фазовое (частота следования импульсов
и относительная фаза.
Уровень локальных нейронных сетей
Синаптическая архитектура сетей – организация структур
коллективной активности.
Системный уровень
Информационные функции – преобразование структур активности
Биофизические механизмы генерации
сигналов
•Электрические сигналы генерируются за счет
трансмембранных ионных токов
•Ионные токи возникают за счет градиента
концентраций ионов и электрического градиента
•Ионы движутся по ионным каналам через липидный
бислой клеточной мембраны
•Ионные каналы обладают избирательностью по
отношению к определенным типам ионов
•Проводимость ионных каналов зависит от мембранного
потенциала
RT [ K ]o
EK 
ln
 85mV
zF [ K ]i
Vm  58 log
Уравнение
Нернста для
ионов калия
pK [ K ]o  pNa [ Na]o  pCl [Cl ]i
 70mV
pK [ K ]i  pNa [ Na]i  pCl [Cl ]o
Уравнение Голдмана-Ходжкина-Катца для
потенциала покоя
Концентрация ионов определенного типа
поддерживается за счет ионных насосов
iNa : iK  3 : 2
Мембрана нейрона как электрическая
цепь
Типичные параметры
Уравнения
Ходжкина-Хаксли –
базовая модель
нейронауки
•Изолированный нейрон
НижГМА, ИПФ РАН, ННГУ, НЦ
Нервная система содержит помимо
нейронов клетки других типов
Астроцитарная сеть
Нейроглиальная сеть
Культура клеток гиппокампа
нейроны (зеленый) и глиальные клетки (оранжевый). Масштаб 40 мкм.
Мультиэлектродная матрица:
64 2-D электрода – МЕD64
(Alpha MED Sciences, Panasonic,
Japan)
MED probe
Connector
Amplifier
НижГМА, ИПФ РАН, ННГУ, НЦ
Используются несколько типов
матриц:
• 8 x 8 (64) с четырьмя
различными межэлектродными
расстояниями
100, 150, 300 и 450µм. Каждый
микро-электрод 50µм x 50µм
или 20µм x 20µм.
• Матрица из 61 шестиугольных
электродов доступна с
интервалом между электродами
в 70µм. Электроды имеют
округлую форму (диаметр
20µм).
• Две специальные матрицы
сделанные для одновременной
стимуляции/записи с зубчатой
извилины (DG), CA3 и CA1
гиппокампа.
Установка MED64 для изучения электрической
активности нейрональных культур
Multielectrode MED64 system
Формирование сети из нейронных клеток
 Через 5 дней развития культуры регистрируется
электрическая активность в виде единичны спайков.
0 DIV
5 DIV
спонтанная
9 DIV
Клетки гиппокампа в культуре на мультиэлектродной матрице MED64.
А - 2 часа, Б - 5 дней, В - 9дней in vitro (DIV). Черные квадраты – электроды.
Масштаб 50мкм
Исследование диссоциированной культуры
гиппокампа in vitro; на мультиэлеткродной
матрице
Электрод
64 электрода
параллельно
записывают
активность с
различных
участков
нейронной сети
20 мкВ
1 мс
Культура нейронов на зонде MEД64
Внеклеточный потенциал (регистрирует
активность 5-30 клеток )
20 µV
1 ms
Электрическая стимуляция вызывает ответ в нейронной
сети
Электрический импульс
Сетевой ответ на стимул
Spike Rate Burst profile, spikes/bin (10ms)
5
4.5
10
4
Electrode #
20
3.5
3
30
2.5
X: 105 Y: 33
Index: 1
RGB: 0.542, 0, 0
2
40
1.5
50
Ответ нейронной сети на
электрический импульс
1
0.5
60
50
100
150
200
Burst time offset, ms
250
0
Мера расстояния между паттернами
Расстояние между паттернами
1
S  p, q  
N
 (t
N
i 1
p
i
,
q 2
i
t
N = 64, t – время спайка в паттерне
Схема анимата
Особенности кальциевых
сигналов в нейрон-астроцитарной
сети
Моделирование сети синаптически связанных нейронов
Топология
клеточной
культуры
Синаптический ток для каждого нейрона в
сети:
100
I syn  g syn S (Vp )(V  Esyn )
t– время задержки (max 40 ms)
пропорционально дистанции между
нейронами
80
60
y (m)
S (Vp )  1 /{1  exp[(Vp (t  )   syn ) / ksyn ]}
Топология
модельной
нейросети:
40
30%
возбуждающих и
70% тормозных
клеток
20
0
0
20
40
60
x (m)
80
100
Лаборатория клеточных технологий
(Нижегородская медицинская академия)
•Meart - результат второй фазы исследований
подобного рода. "Мозгом" робота являются
отдельные нейроны крысы, которые растут в
специальной среде в Атланте. Так называемое
"тело" находится в г. Перт. Взаимодействие частей
осуществляется посредством Internet (TCP/IP) в
режиме реального времени.
Спасибо за внимание!