Глоссарий 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
2. МОДЕЛЬ ЦГУА 9
2.1. Высокоуровневое описание модели 9
2.2. Низкоуровневое описание модели 12
3. РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ В НЕЙРОСИМУЛЯТОРЕ NEURON 7.5 . . 16
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ НЕЙРОСИМУЛЯЦИЙ 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26
Список литературы
В последнее время появилось новое направление развития нейронных сетей, а именно нейроморфные вычисления. Этот термин используется для описания аналоговых, цифровых и программных систем, которые реализуют модели биологических нейронных сетей. Ключевыми преимуществами нейроморф- ных вычислений по сравнению с традиционными подходами являются энергоэффективность, скорость выполнения, устойчивость к локальным сбоям и способность к самообучению.
Нейроморфные вычисления - это междисциплинарный предмет, который черпает вдохновение из биологии, физики, математики, информатики и инженерии для создания искусственных нейронных систем, таких как системы зрения, моторные системы, слуховые процессоры и другие, топология которых основана на принципах биологической нервной системы [4].
При моделировании таких систем обычно ставится цель сделать их максимально похожими на биологические нейронные сети. На данный момент уровень технологий, применяемых в исследованиях в нейробиологии, не позволяют ученым узнать точную организацию нейронных сетей мозга, поэтому оптимальный метод для их изучения включает оценку результатов, полученных в in vivo экспериментах, с возможностью последующего моделирования нейронных сетей in silico [8; 16; 33].
Для спинного мозга одной из фундаментальных проблем остается изучение механизмов, связанных с формированием моторных паттернов. Спинной мозг даже после травмы может генерировать моторные паттерны, однако организация нейронных контуров до сих пор остается не ясной. Интегрируя предыдущие результаты симуляций и данные, полученные в биологических экспериментах, будет сформирована модель нейронного контура, отвечающего за паттерн хождения.
Цель работы. Создание биореалистичной модели центрального генератора упорядоченной активности (ЦГУА) и валидация модели по данным, полученным в биологических экспериментах.
Задачи работы:
• Разработать топологию биореалистичного нейронный контура для ЦГУА
• Валидировать контур ЦГУА на основе биологических данных
• Разработать биореалистичную модель рефлекторной дуги на основе модели Лаврова [13; 29]
• Валидировать модель рефлекторной дуги, построенной на основе модели Лаврова [13; 29]
• Усовершенствовать модель Лаврова для приближения к биологическим данным, полученным экспериментально
Объект исследования. Симуляция функционального отдела мозга, состоящего из рефлекторной дуги и ЦГУА
Предмет исследования. Топология контура ЦГУА на формирование нейрональной активности, которая соответствует паттерну хождения.
В рамках данной работы предложена топология, которая может формировать активность соответствующую миограммам во время ходьбы. Валидация показала соответствие паттерна активности, полученного в результате симуляции, биологическим данным. Также модель обладает гибкостью и сохранение паттерна происходит и при других частотах ЭЭС, а именно 30Гц и 50 Гц. Благодаря тому, что в симуляторе NEURON существуют широкие возможности для моделирования клеток были реализованы различные типы нейронов: мотонейроны, афференты, интернейроны, что еще больше приближает модель к биологической. Также был реализован серотониновый рецептор 5 — HT3A, что позволило смоделировать влияние фармакологии на паттерн, в этом случае си- муляционные и биологические показали сходный характер изменения нейрональной активности.
Таким образом, все цели работы выполнены: разработана топология биореалистичного нейронный контура для ЦГУА и модель рефлекторной дуги, данные, полученные в результате нейросимуляции, провалидированы. Данная модель нейронного контура будет использоваться для создания протеза сегмента спинного мозга, данный протез будет использоваться для реабилитации людей, который получили ТСМ.
