Введение 2
Глава 1. Обзор литературы 4
1.1. Модульная организация центральной нервной системы 4
1.2. Биологическая организация нейронных модулей в ЦНС 4
1.3. Принципы организации колонок мозга 17
1.4. Заключение 22
Глава 2. Построение модели кортикальной колонки 26
2.1 Модель кортикальной колонки 30
2.2 Описание реализации 31
2.3 Построение тепловой карты(heatmapBuilder) 31
Глава 3. Результаты исследования 33
3.1 Обзор результатов 33
3.2 Тепловая карта 38
Заключение 39
Список литературы 40
Приложение 1. Реализация кода на PyNEST
Представление о колончатой организации коры возникло как функциональное понятие на основе открытия, сделанного в физиологических экспериментах и состоящего в том, что основной единицей активности в новой коре служит вертикально расположенная группа клеток с множеством связей между этими клетками по вертикальной оси и малым их числом в горизонтальном направлении.
Кортикальная колонка является обрабатывающим модулем со своим входом и выходом. В неокортексе, наименьшей колончатой структурой являются миниколонки. В диаметре они примерно 30 мкр и состоят из 80-110 нейронов, которые расположены на всех пяти уровнях.
Наименьшей колончатой структурой неокортекса являются миниколонки. Они составляют приблизительно 30мкр в диаметре и состоят из 80 - 110 нейронов, расположенных на всех пяти клеточных уровнях. Весь неокортекс состоит из таких миниколонок. Их можно себе представить, как маленькие отрезки спагетти, которые прилегают своими сторонами друг к другу.
Современная нейронаука изучает мозг и пытается решить задачи, позволяющие раскрыть закономерности функционирования головного мозга. Моделирование систем, подобных кортикальной колонке, является запредельно сложной задачей, что обусловлено наличием сложнейших систем, как по составу, так и по внутренним связям.
Объектом исследования дипломной работы является процесс обработки визуальной информации в кортикальной колонке, который является элементарным модулем в визуальной коре. Необходимо выяснить, как нейроны в кортикальной колонке реагируют на поступающий сигнал, и используя полученные в исследовании данные требуется определить особенности связей между нейронами в модуле микромодуля зрительной коры во время анализа визуальных стимулов. Исходные данные для реализации получены из литературных источников. Цель данного проекта заключается в создании программной модели для анализа визуальных стимулов, полученных в ходе экспериментов. Основная проблема в том, что на сегодняшний день, нет адекватной модели кортикальной колонки для проведения исследований в области нейробиологии. В частности, требуется выявить активность нейронных клеток, которые содержатся в колонке. Для достижения поставленной в дипломной работе цели, важно, нужно решить следующие задачи:
- Изучить структуру зрительной коры;
- Изучить архитектуру кортикальной колонки;
- Построить схему кортикальной колонки, со всеми слоями, и связями;
- Реализовать трехмерную модель в “NEST”;
- Полученные данные проанализировать;
Опыт полученный в работе над этим проектом трудно переоценить. В полной мере удалось достичь поставленной цели дипломной работы. В этой работе, основываясь на большое количество научной литературы, смоделировали работу кортикальной колонки неокортекса. Разделив структуру модуля на 6 уровней, удалось показать, взаимодействие между уровнями, и таламусом. Проанализировав типы нейронных клеток на каждом уровне колонки визуального анализатора, показали, выделение каких нейромедиаторов, соответствует какому типу клеток(нейронов). На основе проделанной проектной работы, по симуляции работы модуля, появилось возможность проанализировать тормозящий эффект нейронов, вырабатывающих нейромедиатор GABA. По мнению многих исследователей, кортикальная колонка является элементарной единицей обработки информации. Исследование принципов внутренней организации
кортикального модуля является важным направлением современной нейрофизиологии.
Выполняя задачи, указанные в начале проекта, удалось достичь поставленной цели. Для исследования нейронной активности в кортикальной колонке, была построена схема самого модуля, и на основе этого, реализовали все это на симуляторе nest. В итоге, мы получили наглядную картину, межуровневых связей. Возможность наблюдать входной и выходящий сигнал. Все это поможет в будущих исследованиях визуальной коры, и существенно облегчит будущие исследования в области нейробиологии.
