Наука и технологии России

Вход Регистрация

Светлые мысли искусственных нейросетей

Совсем недавно в мире был дан старт новой большой научной гонке. На смену далёкому космосу и мирному атому, человеческому геному и адронному коллайдеру приходят звучные нейросети, но Россия пока остаётся в стороне от новых глобальных проектов и, будем надеяться, готовит задел для будущих исследований. Так, учёные московского НИИ нормальной физиологии недавно разработали уникальный даже по мировым меркам способ, который позволяет по флуоресценции отслеживать работу сетей нервных клеток в пробирке. Михаил Бурцев, один из руководителей проекта и старший научный сотрудник института, рассказал, чем могут быть полезны их результаты для разработки новых лекарств и создания самообучающихся роботов.

Михаил_Бурцев Михаил Бурцев: «Исследования показывают, что в развитых странах основной урон качеству жизни и экономике теперь наносят уже не рак или заболевания сердечно-сосудистой системы, а болезнь Альцгеймера и другие нейродегенеративные расстройства»

Справка STRF.ru:
Проект «Создание макетов физиологических микросенсорных систем на основе нервных клеток, культивируемых на мультиэлектродных матрицах, с комбинированной детекцией экспрессии генов» поддержан ФЦП «Исследования и разработки». № контракта: 16.512.11.2134. Сроки исполнения: с 25 февраля 2011 по 15 октября 2012 года. Бюджетное финансирование составило 4,8 миллиона рублей; внебюджетное финансирование отсутствует

«Исследования показывают, что в развитых странах основной урон качеству жизни и экономике теперь наносят уже не рак или заболевания сердечно-сосудистой системы, а болезнь Альцгеймера и другие нейродегенеративные расстройства. Просто население стареет, и это становится неизбежным, – в паре предложений Михаил Бурцев объясняет мировой бум нейронауки. – Но в России пока ситуация несколько отличается. У нас средняя продолжительность жизни у мужчин составляет 55 лет, и о нейродегенеративных заболеваниях тут говорить ещё рано. С другой стороны, мы видим, что продолжительность жизни в развитых странах растёт. Что у нас предпринимаются адекватные меры по борьбе с алкоголем – наверное, основной причиной смертности. Так что рано или поздно и мы столкнёмся с этими новыми для нас проблемами».

А)                                                                              Б)
Рис. 1. Ущерб, наносимый нейродегенеративными заболеваниями. А) Распределение прямых (светло-серый столбик) и непрямых (тёмный столбик) затрат в млрд долларов США в странах с высокими доходами (HIC) и странах со средними и низкими доходами (LAMIC). Б) Сравнение ущерба (суммарного прямого и непрямого) от различных заболеваний в Великобритании (в млрд фунтов стерлингов). Источник: World Alzheimer Report | Alzheimer’s Disease International

Поиск лекарств от нейродегенеративных заболеваний вполне подпадает под уже устоявшуюся общую парадигму in silico – in vitro – in vivo (от компьютерного моделирования к экспериментам на клеточных моделях и живых организмах, вслед за которыми идут решающие клинические испытания с участием людей). Только серьёзные проблемы здесь возникают уже на второй стадии – учёные пока не всегда могут отличить положительные изменения и отрицательные изменения в поведении искусственно выращенных нейронных сетей.

Всё потому, что механизмы основных процессов, происходящих в мозге (обучения, хранения информации и тем более возникновения эмоций) до сих пор туманны. Впрочем, со своими краеугольными камнями нейронаука, похоже, всё-таки определилась. Так, наше мышление целиком видится продуктом взаимодействия нейронов, нервных клеток, переплетающихся своими отростками в запутанную нейросеть, по которой передаются сигналы от одного нейрона к другому. В месте контакта двух нейронов, синапсе, после прохождения электрического сигнала выбрасываются сигнальные химические вещества, нейротрансмиттеры, которые могут взаимодействовать с рецепторами клеток и регулировать их работу. Объединить эти электрические и химические сигналы в одну картинку как раз и постарались российские учёные.

«На самом деле это поразительно. Берём клетки из мозга животного – в нашем случае трансгенного. Высаживаем их в чашку, на подложку электродов, с которых будем снимать электрический сигнал. И они начинают образовывать связи, формируют свою нейросеть! – Михаил не перёстаёт удивляться чудесам, которые скрываются за суховатыми терминами. – Это очень похоже на процессы в живом мозге. Клетки проявляют ту же электрическую активность, в них протекают схожие молекулярные процессы. Хотя это всё-таки механизмы в пробирке, там наверняка нет сознания или сложного восприятия, но такая система нам помогает отследить механизмы нейрональной пластичности, способности нейронов к обучению».

Синапсы между нейронами не остаются незыблемыми на всю жизнь. Какие-то связи со временем усиливаются (прохождение электрического сигнала по ним вызывает активное выделение нейротрансмиттеров), а какие-то ослабляются или вовсе распадаются, чтобы образовать новые. Это вечное противоборство тёмного и светлого начал на нейронный манер и называется процессом обучения.

Но за всеми возвышенными рассуждениями и глубокими мыслями в буквальном смысле скрывается бренная материя – для усиления или образования новой связи клетка неизбежно должна синтезировать дополнительные белки. Один из них – сигнальный белок c-fos, который в избытке можно обнаружить через полтора-два часа после любой интеллектуальной деятельности. И для этого даже совсем не обязательно извлекать мозг из черепа несчастного животного или фиксировать с любовью выращенную культуру нейронов.

«В своей работе мы использовали клетки генно-модифицированных мышей, у которых одновременно с активацией гена c-fos начинается экспрессия зелёного флуоресцентного белка. Поэтому мы могли просто смотреть в микроскоп и наблюдать за процессом обучения, регистрировать его по зелёному свечению клеток», – рассказывает Михаил Бурцев.

Рис. 2. Динамика экспрессии EGFP под промотером c-fos после низкочастотной электрической стимуляции нейрональной культуры (время в формате ЧЧММ)

Интенсивность таких элементарных когнитивных процессов учёные оценивали по интенсивности свечения, а вынуждали клетки «обучаться» электрические импульсы двух типов – низкочастотные и высокочастотные. При этом полученные световые сигналы в обоих случаях значительно превосходили интенсивность свечения нейтральных, оставленных в покое клеток и, что ещё важнее, отличались друг от друга.

«Здесь можно привести грубую аналогию. Представьте, что нужно выучить один урок или подготовиться к экзамену. Конечно, количество клеток, которое нужно для запоминания информации, в этих случаях существенно различается. Так что это вполне ожидаемый результат, который мы, кстати, проверили и прямыми методами. Зафиксировали культуру клеток и дальше окрасили белок c-fos с помощью антител. Так что теперь у нас есть отличный метод для дальнейших исследований. Причём как для прикладных вещей – можем фармакологические вещества капать на нашу матрицу и отслеживать активность, так и для фундаментальных. Ведь мы не понимаем, что у нас произошло с точки зрения обучения выращенной сети нейронов. Действительно ли наша культура в пробирке что-то запомнила или это какие-то побочные процессы», – рассуждает Михаил Бурцев.

Рис. 3. Схема нейрогибридной системы

Для исследования способности нейронов в пробирке обучаться учёные собираются использовать нейрогибридные системы, в которых загадочная нейросеть объединена с бездушным, но вполне осязаемым механизмом. Роботом, способным фиксировать своё положение за счёт сенсоров и перемещаться в пространстве.

«Культура клеток должна научиться давать команду, чтобы робот отворачивал от препятствия, а алгоритм её обучения можно построить такой: если робот подъезжает близко к препятствию, то начинаем подавать внешние импульсы, а если движется нормальным курсом, то оставляем его в покое. Культура будет стараться избежать такого раздражителя и запоминать электрод, который позволяет ей убирать эту внешнюю стимуляцию, – разъясняет Михаил Бурцев предполагаемые особенности поведения своей будущей разумной машины. – Такая, на первый взгляд, фантастическая нейрогибридная система у нас уже в разработке, трудимся сейчас над ней вместе с нашей лабораторией в Курчатовском институте».

Рис. 4. Общая схема разработанного метода

Рис. 5. Общий вид установки

Источник информации:

A.I. Sukhanova, O.A. Mineyeva, I.I. Kiselev, M.S. Burtsev, K.V. Anokhin, Detection of trace processes in the network of neurons cultured on microelectrode arrays. Bulletin of Experimental Biology and Medicine, vol. 152, № 5, 2012.

РЕЙТИНГ

4.91
голосов: 11

Обсуждение