Исследование функционирования нейрогибридной системы на основе радиотехнического генератора ФитцХью–Нагумо и живых нейронов гиппокампа мыши
- Авторы: Матвеева М.В.1, Федулина А.А.1, Бельтюкова А.В.1, Мальцева К.Е.1, Герасимова С.А.1, Мищенко М.А.1, Михайлов А.Н.1, Казанцев В.Б.1, Лебедева А.В.1
-
Учреждения:
- Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 818-820
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://journal-vniispk.ru/2313-1829/article/view/256345
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623424
- ID: 256345
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
В настоящее время при лечении нейродегенеративных заболеваний, которые плохо поддаются медикаментозной терапии, производят электрическую стимуляцию мозга посредством инвазивного вмешательства в поврежденные структуры нервной ткани. Разработка и развитие инвазивных технологий нейронных интерфейсов с замкнутым контуром позволили добиться больших успехов в восстановлении нейронных связей, поскольку имеют более тонкую и четкую настройку стимуляции, реагирующие на изменения физиологического состояния, что важно в процессе восстановления функций нервной ткани. Достижения в этих областях открывают перспективы для лечения широкого спектра заболеваний двигательной системы и нейродегенаритивных заболеваний мозга.
В данном исследовании использовалась нейрогибридная замкнутая система, состоящая из радиотехнического генератора ФитцХью-Нагумо и живых переживающих срезов гиппокампа мозга мыши. Для приготовления переживающих срезов гиппокампа использовались половозрелые самцы возрастом 2-3 месяца линии мышей C57BL/6. Для приготовления и инкубирования срезов гиппокампа использовался раствор искусственной спинномозговой жидкости (ACSF), составом в (мМ): 126 NaCl; 3.5 KCl; 1.2 KH2PO4; 26 NaHCO3; 1,3 MgCl * 6H2O; 2 CaCl2 * 6H2O; 10 D-глюкоза при постоянном насыщении карбогеном (95% О2 и 5% СО2). Регистрация электрической активности нейронов мозга проводилась с использованием оптических и электрофизиологических методов.
В экспериментах по сопряжению нейроноподобного генератора ФитцХью-Нагумо и биологических нервных клеток в замкнутом контуре, был получен эффект, когда активность нервных клеток мозга переключала генератор в автоколебательный режим. Вызванные колебания в нейроподобном генераторе давали эффективный стимул для активации нервных волокон в составе перфорантного пути гиппокампа. В результате, удалось зафиксировать уменьшение частоты импульсов генератора, что было спровоцировано ответы живых нейронов на приходящий стимул с нейроподобного генератора. Данные результаты показывают способность живых нейронных сетей управлять искусственным сигналом с помощью подстройки его параметров изменением собственной активности и подтверждают работоспособность использования систем с замкнутым контуром при объединении живых и искусственных нейронов. Настоящее исследование требует дальнейших экспериментов для создания более физиологичных условий функционирования предложенной нейрогибридной системы. Кроме того, данная нейрогибридная система будет усовершенствоваться и обладать адаптивными свойствами за счет использования мемристивных устройств. Успехи в этом направлении помогут решить актуальную проблему восстановления утраченных функций мозга на клеточном и сетевом уровнях.
Ключевые слова
Полный текст
В настоящее время при лечении нейродегенеративных заболеваний, которые плохо поддаются медикаментозной терапии, производят электрическую стимуляцию мозга посредством инвазивного вмешательства в повреждённые структуры нервной ткани. Разработка и развитие инвазивных технологий нейронных интерфейсов с замкнутым контуром позволили добиться больших успехов в восстановлении нейронных связей, поскольку эти технологии имеют более тонкую и чёткую настройку стимуляции, реагирующую на изменения физиологического состояния, что важно в процессе восстановления функций нервной ткани. Достижения в этих областях открывают перспективы для лечения широкого спектра заболеваний двигательной системы и нейродегенеративных заболеваний мозга.
В данном исследовании применяли нейрогибридную замкнутую систему, состоящую из радиотехнического генератора ФитцХью-Нагумо и живых переживающих срезов гиппокампа мозга мыши. Для приготовления переживающих срезов гиппокампа использовали половозрелых мышей-самцов линии C57BL/6 в возрасте 2–3 мес. Для приготовления и инкубирования срезов гиппокампа использовали раствор искусственной спинномозговой жидкости (ACSF), состав (мМ): 126,0 NaCl; 3,5 KCl; 1,2 KH2PO4; 26,0 NaHCO3; 1,3 MgCl * 6H2O; 2 CaCl2 * 6H2O; 10 D-глюкоза при постоянном насыщении карбогеном (95% О2 и 5% СО2). Регистрацию электрической активности нейронов мозга проводили с использованием оптических и электрофизиологических методов.
В экспериментах по сопряжению нейроноподобного генератора ФитцХью–Нагумо и биологических нервных клеток в замкнутом контуре был получен эффект, когда активность нервных клеток мозга переключала генератор в автоколебательный режим. Вызванные колебания в нейроподобном генераторе давали эффективный стимул для активации нервных волокон в составе перфорантного пути гиппокампа. В результате удалось зафиксировать уменьшение частоты импульсов генератора, что было спровоцировано ответами живых нейронов на приходящий стимул с нейроподобного генератора. Данные результаты показывают способность живых нейронных сетей управлять искусственным сигналом с помощью подстройки его параметров к изменениям собственной активности и подтверждают работоспособность использования систем с замкнутым контуром при объединении живых и искусственных нейронов. Настоящее исследование требует дальнейших экспериментов для создания более физиологичных условий функционирования предложенной нейрогибридной системы. Кроме того, данная нейрогибридная система будет усовершенствоваться и обладать адаптивными свойствами за счёт использования мемристивных устройств. Успехи в этом направлении помогут решить актуальную проблему восстановления утраченных функций мозга на клеточном и сетевом уровнях.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).
Источник финансирования. Исследование выполнено в рамках научной программы Национального центра физики и математики «Исследование и разработка нейроморфных и нейрогибридных систем искусственного интеллекта» (Договор № 96-2022/181 от 13.07.2022 г.) в рамках научной программы Национального центра физики и математики (направление «Искусственный интеллект и большие данные в технических, промышленных, природных и социальных системах»).
Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.
Об авторах
М. В. Матвеева
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Автор, ответственный за переписку.
Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
А. А. Федулина
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
А. В. Бельтюкова
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
К. Е. Мальцева
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
С. А. Герасимова
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
М. А. Мищенко
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
А. Н. Михайлов
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
В. Б. Казанцев
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
А. В. Лебедева
Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород
Список литературы
Дополнительные файлы
