Обучение нейрональных культур

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.

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.