Фазовая динамика импульсных сигналов активности в моделях обработки информации в нейрональных и глиальных сетях мозга

• Автор: Пимашкин, Алексей Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.03, 03.01.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 130 с. : ил.

Оглавление
Введение

Обзор динамических эффектов в нейрональных и глналнмх сетях.

Глава 1. Исследование паттернов активности в культуре нейронов.

1.1 Описание мультиэлектродной матрицы МЕЭ.

1.2 Методы приготовления культур нейронов гиппокампа.

1.3 Детектирование импульсов в сигнале.

1.4 Детектирование спонтанных паттернов в сигнале

1.5 Анализ паггернов снайков в структурах беретов

1.6 Заключение по главе 1

Глава 2. Исследование паттернов активности в сетях астроцитов.

2.1 Методы проведения экспериментов
2.2 Регистрация кальциевых сигналов клеток с помощью конфокальной микроскопии
2.3 Анализ временных последовательностей активности астроцитов.
2.4 Анализ активности астроцитов при стимуляции нейрональной сети
2.5 Анализ сетей астроцитов
2.6 Симуляция сигналов в сети астроцитов.
2.7 Заключение по главе 2
Глава 3. Модель осциллиторной ассоциативной памяти.
3.1 Динамика распознавания.
3.2 Характеристики информационной мкости
3.3 Оценка ошибочного распознавания
3.4 Оптимальный набор паттернов
3.5 Характеристики распознавания для оптимального алфавита.
3.6 Заключение по главе 3
Глава 4. Модель распознавания информации на спайковмх осцилляторах.
4.1 Определение синфазных и противофазных колебаний
4.2 Модель импульсного осциллятора.
4.3 Двухслойная модель распознавания информации на снайковых осцилляторах
4.4 Исследование характеристик модели.
4.5 Заключение по главе 4.
Заключение .
Литература


Фазовые соотношения для спонтанных кальциевых импульсов в сети астроцигов гиппокампа (в биологической модели переживающих срезах мозга in vitro) не имеют статистически достоверных корреляций. Разработанный метод анализа позволяет статистически достоверно выявлять наличие функциональной взаимосвязи между активностями клеток, определяющей распространение импульсов в сети астроцитов. Модель двухслойной сети колебательных нейронов с однонаправленными межслойными связями способна осуществлять хранение и распознавание бинарных изображений на основе синфазной и противофазной синхронизации колебаний. Динамическое выделение синфазной и противофазной компонент импульсного сигнала для реализации ассоциативной памяти в сети нейронных осцилляторов осуществляется за счет распределения реверсивных синаптических потенциалов на тормозные и возбуждающие в соответствии с заданным набором информационных патгернов. Диссертация содержит 0 страниц, включая рисунка, 3 научных публикаций по теме диссертации, 0 наименований цитируемой литературы. Увеличивающийся поток публикаций по тематике исследования нейронных сетей в ведущих отечественных и зарубежных физических изданиях свидетельствует о растущем фундаментальном интересе применения радиофизических методов и подходов к исследованию биологических систем, в частности к исследованию мозга. Среди наиболее известных результатов по данной тематике можно отметить следующие. К настоящему времени достаточно хорошо изучены процессы генерации импульсов действия в отдельных нейронах, процессы передачи возбуждения по нервным отросткам, механизмы формирования эффектов синхронизации импульсов активности, динамика генераторов ритма и моторных нейронов, формирование образов в зрительной системе, феномен "обратного проигрывания" спайковых паттернов при исследовании функций нейронов места в поведении у крыс, осцил-ляторные модели формирования фокуса внимания и ассоциативной памяти (Николс Дж. От нейрона к мозгу”,; Борисюк Р. Wang X. J., и др. Е. Izhikevich, ), которые, как считается, могут представлять способ пространственно-временного кодирования и связывания информации в мозге. Однако, широкий круг вопросов нейродинамики и нейробиологии, связанный с высшей мозговой деятельностью и принципами реализации информационных функций нейронных систем, остается нере7шенньтм и в настоящее время широко обсуждается на всех уровнях исследования, от молекулярно-генетических процессов до когнитивных функций. Можно упомянуть, в частности, задачу ассоциативного распознавания, связанную с динамикой таламо-кортикальных взаимодействий, моторного контроля произвольных движении в оливо-мозжечковой системе, и др. Ышав Я. Клетки мозга, обладающие собственной, в некоторых случаях нетривиальной динамикой, способны осуществлять очень широкий круг преобразований входных сигналов в зависимости, как от собственного состояния, так и от характеристик стимула. Для исследования структур (паттернов) колебательной активности в мозге принципиальным моментом является возможность синхронного (одновременного) получения сигналов с различных нейронов сети. Изучение фундаментальных динамических закономерностей этих преобразований, их функциональных особенностей для различных нейронных систем при формировании пространственно-временных паттернов активности и является одной из основных задач данной диссертации. В связи с успехами современной экспериментальной нейробиологии появилось возможность одновременной (многоканальной) регистрации сигналов и параллельного многоканального мониторинга электрической активности нейронов. Примером параллельной регистрации является кальциевый и ми джин г (Рисунок 1 (А)) на основе лазерной микроскопии, позволяющий регистрировать биоэлектрическую и биохимическую активность сети нейронов. Среди результатов, полученных сравнительно недавно с помощью данной методики, можно отметить экспериментальные подтверждения существования в сетях нейронов на срезах мозга (Рис. Б)) “мотивов” и “кортикальных песен” - спонтанно повторяющихся последовательностей импульсов (спайков) (1ке§ауа У. МокеюЬеу А.