Ученые создали виртуальную модель мозга, которая мечтает, как люди.
Исследователи создали компьютерную модель, основанную на динамике клеток мозга и множестве связей, которые эти клетки устанавливают со своими соседями и с клетками в других областях мозга. Они надеются, что эта модель поможет им понять, почему определенные части мозга работают вместе, когда человек мечтает или мысленно бездействует. Это, в свою очередь, может однажды помочь врачам лучше диагностировать и лечить травмы головного мозга.
"Мы можем дать нашей модели поражения, подобные тем, которые мы видим при инсульте или раке мозга, отключив группы виртуальных клеток, чтобы увидеть, как это влияет на функцию мозга," сказал старший автор Маурицио Корбетта, доктор медицины, Норман Дж. Ступп профессор неврологии Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Луи. "Мы также можем протестировать способы вернуть модели активности в норму."
Исследование теперь доступно в Интернете в журнале Neuroscience.
Модель была разработана и протестирована учеными Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Луи, Университет Помпеу Фабра в Барселоне, Испания, и несколько других европейских университетов, включая ETH Zurich, Швейцария; Оксфордский университет, Великобритания; Институт передовых биомедицинских технологий, Кьети, Италия; и Лозаннский университет, Швейцария.
Ученые впервые осознали в конце 1990-х – начале 2000-х годов, что мозг остается занятым, даже если он не занимается умственными задачами. Исследователи выделили несколько "состояние покоя" сети мозга, которые представляют собой группы различных областей мозга, уровни активности которых повышаются и понижаются синхронно, когда мозг находится в состоянии покоя. Они также связали сбои в работе сетей, связанные с травмами и заболеваниями головного мозга, с когнитивными проблемами памяти, внимания, движения и речи.
Новая модель была разработана, чтобы помочь ученым узнать, как анатомическая структура мозга способствует созданию и поддержанию сетей состояния покоя. Исследователи начали с процесса моделирования небольших групп нейронов, включая факторы, которые уменьшают или увеличивают вероятность того, что группа клеток отправит сигнал.
"В каком-то смысле мы рассматривали небольшие области мозга как когнитивные единицы: не как отдельные клетки, а как группы клеток," сказал Густаво Деко, доктор философии, профессор и руководитель группы вычислительной нейробиологии в Барселоне. "Деятельность этих когнитивных единиц посылает возбуждающие сигналы другим единицам через анатомические связи. Это приводит к тому, что подключенные устройства с большей или меньшей вероятностью синхронизируют свои сигналы."
Основываясь на данных сканирования мозга, исследователи собрали 66 когнитивных единиц в каждом полушарии и соединили их в анатомические паттерны, аналогичные соединениям, присутствующим в головном мозге.
Ученые создали модель таким образом, чтобы отдельные единицы проходили процесс передачи сигналов на случайных низких частотах, которые ранее наблюдались в клетках мозга в культуре и в записях активности мозга в состоянии покоя.
Затем исследователи позволяют модели работать, медленно меняя связь или силу связей между единицами. При определенном значении связи взаимосвязи между единицами, посылающими импульсы, вскоре начали создавать скоординированные паттерны активности.
"Несмотря на то, что мы запустили когнитивные единицы со случайным низким уровнем активности, связи позволили единицам синхронизироваться," Деку сказал. "Пространственный паттерн синхронизации, который мы в конечном итоге наблюдали, очень хорошо – примерно на 70 процентов – приближается к паттернам, которые мы видим при сканировании мозга покоящегося человека."
Использование модели для моделирования 20 минут активности человеческого мозга заняло у кластера мощных компьютеров 26 часов. Но исследователи смогли упростить математику, чтобы сделать возможным запуск модели на типичном компьютере.
"Эта более простая модель всего мозга позволяет нам проверить ряд различных гипотез о том, как структурные связи создают динамику функции мозга в состоянии покоя и во время выполнения задач, и как повреждение мозга влияет на динамику мозга и когнитивные функции," Корбетта сказала.