Математически смоделирована нейронная сеть головастика

Лабораторией нейронных систем (ИМПБ РАН) разработана математическая модель формирования нейронных связей спинной хорды и ствола мозга двухдневного головастика. Созданная учеными модельная нейронная сеть в ответ на сенсорную стимуляцию воспроизводит ритмическую волновую активность подобную плаванию живого головастика. Полученный результат позволяет продвинуться в дальнейших численных экспериментах по решению проблем связанных с созданием искусственной нейросети.

На самой ранней стадии развития головастика под действием морфогенов, веществ, отвечающих за рост и развитие клеток, происходит формирование дорсовентральных (спинно-брюшных) структур. Нейроны формируют отростки двух типов: аксоны и дендриты. У нейрона обычно несколько коротких разветвленных дендритов, по которым импульсы следуют к телу нейрона и один длинный аксон, по которому импульсы идут от тела нейрона к другим нейронам или другим клеткам (например мышечным). Нейронная сеть, управляющая движением головастика, возникает в результате проращивания нейронами аксонов. До настоящего времени неизвестно, как в этой сети формируются синаптические контакты, посредством которых нейроны передают возбуждение другим клеткам, как обеспечивается генерация и распространение волновой активности, ассоциированной с плаванием.

Целью работы ученых была разработка модели формирования нейронной сети головастика, основанной на экспериментально обоснованных данных. Выбор двухдневного головастика в качестве объекта для такого исследования связан с тем, что на этой стадии онтогенеза есть детальные экспериментальные данные о функционировании нейронной сети в ответ на тактильную стимуляцию. За основную гипотезу взяли предположение, что рост аксонов определяется химическими градиентами и физическими барьерами, при этом формирование синапсов с ближайшими к аксонам дендритами имеет вероятностный характер, неспецифичный по отношению к типу нейронов. Результаты показали, что этого механизма достаточно, чтобы сформировать модельную нейронную сеть, способную управлять плаванием без какого-либо дополнительного обучения.

В эксперименте была смоделирована нейронная сеть, содержащая 1400 нейронов семи различных типов, расположенных в заднем мозге и спинной хорде головастика. Модель была описана разностными уравнениями со стохастической, недетерминированной компонентой. Компьютерные расчеты показали, что математическая модель адекватно воспроизводит активность различных типов нейронов при кратковременном тактильном воздействии, в том числе ритмическое возбуждение двигательных нейронов, соответствующее передаче сигнала между нейронами при плавании.