Обучение нейрональных культур

Нейрофизиолог Михаил Бурцев об электрической активности нейронов, следах памяти в нейрональных культурах и теории функциональных систем

10.10.2014
7 656
Как устроен процесс обучения? Что представляет собой нейрональная культура? Как можно объяснить активность нейронов в нейрональной культуре? Об этом рассказывает кандидат физико-математических наук Михаил Бурцев.

Если мы извлечем клетки из мозга, но при этом они останутся жить, смогут ли они учиться вне мозга или нет? Представьте себе такую поразительную ситуацию: клетки вынули из мозга, посадили в чашку Петри, добавили питательную среду, и клетки там живут, но никак с внешним миром не общаются. Как эти клетки будут себя чувствовать? Это некий аналог сенсорной депривации, когда у нас отключили все чувства и мозг замкнут сам в себе. Этот феномен интересен и сам по себе, и с точки зрения вопроса «Возможна ли осмысленная деятельность у этих клеток?». Нашлись ученые, которые решили проверить, могут ли эти клетки чему-то научиться или нет.

Роль обучения в эволюцииНейрофизиолог Михаил Бурцев о поведении роющих ос, органическом отборе и эволюционных преимуществах

В процессе развития в культуре появляется спонтанная спайковая активность. Сначала клетки активируются по отдельности, но потом эта активность нарастает, и клетки начинают синхронизироваться, то есть они активируются вместе, некоторое время отдыхают, потом снова активируются вместе. Через три-четыре недели в культуре можно наблюдать следующую картину: каждые несколько секунд, достаточно регулярно, появляются всплески активности, которые вовлекают в себя практически каждую клетку из нейрональной культуры, из образованной нейронной сети, и каждая клетка спайкует в течение нескольких десятков миллисекунд. Чтобы оценить масштаб: в нейрональной культуре высаживается от 500 000 до миллиона клеток, и время активности одной клетки составляет порядка одной миллисекунды. Длительность хоровой пачечной активности по всем клеткам составляет от 100 до 300 миллисекунд. А интервал сетевых пачек — от 1 до 10 секунд.

Культура способна научиться так изменять свою активность, чтобы внешняя стимуляция в эксперименте выключалась. Это происходит достаточно быстро: надо меньше чем за 10 десятиминутных циклов обучения, двух-трех стимулирующих импульсов достаточно, чтобы понять, что культура правильно отвечает и мы выключили электрическую активность. Каким образом культура может чему-то научиться и за счет чего это может происходить? Самое простое объяснение заключается в том, что каждый стимул, который приводит к пачке активности, некоторым случайным образом перетряхивает связи между нейронами.

кандидат физико-математических наук, НИЦ "Курчатовский Институт"
Узнал сам? Поделись с друзьями!
  • Demetroid

    Предложенное объяснение, разумеется, ничего не объясняет. Описание с позиций «система стремится получить результат» вообще не является объяснением механизма явления. В лучшем случае, это следствие некого более глубинного механизма.

    В любом случае, явление, безусловно очень интересное!

  • Viktor Kuznetsov

    проще говоря, так формируются нейронные связи автоматизмов, превращая человека в робота)))

  • Struktural

    В ходе эксперимента выявлена закономерность в: 1) стремлении нервных клеток установить двухстороннюю связь с подобными себе, 2) стремлении нервных клеток активировать эти связи (спайковать), 3) стремлении спайковать «хором» (модель альфа, бэтта, и гамма волн мозга). Вам не кажется, что слишком много сложных процессов (как минимум три) сложно объяснить только лишь генетической предрасположенностью? Мне кажется в поиске причин не стоит загромождать взор, ворохом следствий. Наиболее очевидной причиной такого странного поведения, наверняка является стремление клетки выжить. Суть выживания многоклеточных, в совместном объединении усилий, для получения питательных веществ и энергии из вне.
    Не прочитав букварь сложно освоить «войну и мир». Для получения представления о механизмах самоорганизации нейральных культур, необходимы опыты над клеточным материалом примитивных многоклеточных, а не только крысы.

  • Алексей Анатольевич

    1. Перетряхиваем связи клеток каждые 5 минут
    2. Если на нужном электроде есть активность, выключаем тряску. Это приводит к тому, что СРАЗУ ПОСЛЕ выключения тряски культура настроена как нам надо
    3. Даём культуре отдохнуть 5 минут. За это время происходит около 300 спонтанных трясок и может так оказаться, что культура будет настроена не так, как нам надо.

    Вот до этого места всё было правильно, а дальше автор видео слишком усложнил какой-то там «генетической предрасположенностью». Должно быть всё вот так:

    4. Культура может быть настроена на выдачу активности на нужном нам электроде разными способами. Какие-то из этих способов более устойчивы к последующим тряскам, какие-то менее. Давая культуре отдохнуть 5 минут мы отсеиваем неустойчивые конфигурации. После нескольких циклов обучения культура оказывается настроена как нам надо очень устойчивым способом и спонтанные тряски уже не могут сбить настройку. Чем больше циклов обучения, тем более устойчивая настройка.

    Опубликовано материалов
    03586
    Готовятся к публикации
    +28
    Самое читаемое за неделю
  • 1
    ПостНаука
    12 497
  • 2
    ПостНаука
    3 984
  • 3
    Михаил Соколов
    2 525
  • 4
    Андрей Цатурян
    2 392
  • 5
    Татьяна Тимофеева
    2 381
  • 6
    Роман Бевзенко
    1 426
  • 7
    Сергей Афонцев
    1 398
  • Новое

  • 3 984
  • 681
  • 2 381
  • 1 398
  • 1 426
  • 2 525
  • 12 497
  • 2 392