В России создали первую в мире нейросеть на нейрон-глиальном принципе
Ученые из Нижегородского государственного университета создали нейронную сеть, которая имитирует взаимодействие нейронов и астроцитов в мозге. Астроциты — вспомогательные клетки, которые регулируют передачу сигналов между нейронами. Нейросеть смогла смоделировать процесс зрения и распознавать цифры. Работа поможет лучше понять механизмы нейрон-глиального взаимодействия и его роль в когнитивных функциях и заболеваниях.
Нейронная сеть — математическая модель, которая построена на основе алгоритма работы человеческой нервной системы. Нейронная сеть получает данные на входе и обрабатывает их при помощи «искусственных нейронов» — вычислительных кластеров, соединенных между собой. В результате программа выдает «ответ» на выходе.
Ученые использовали спайковую нейронную сеть, которая получает и выдает серию спайков (импульсов). Спайковая нейронная сеть имитирует работу биологической нервной системы, которая также использует спайки для кодирования информации.
Раньше считалось, что в передаче сигналов в мозге участвуют только нейроны. Однако последние исследования показали, что в этом процессе также участвуют астроциты. Астроциты защищают нейроны от перевозбуждения и «очищают» передаваемые сигналы от лишних шумов. Также они могут регулировать выработку и рецепцию нейромедиаторов — веществ, которые передают сигналы между нейронами. Таким образом, астроциты модулируют работу нейронной сети и влияют на ее способность к обучению и запоминанию.
Ученые добавили астроциты в свою нейронную сеть и учли их влияние на передачу сигналов между нейронами. Они подавали на вход сети изображения различных объектов и фиксировали выходные спайки. Затем они анализировали, как меняется активность нейронов и астроцитов при разных стимулах.
Для проверки работы нейросети ученые использовали данные о процессе зрения. Они подавали на вход сети изображения цифр от 0 до 9 и обучали ее распознавать их. Оказалось, что астроциты не только реагируют на изменение изображения, но и участвуют в формировании выходных спайков. Таким образом, астроциты помогают нейросети распознавать цифры.
Ученые также провели эксперименты с реальными клетками мозга крысы, выращенными in vitro (в пробирке). Они стимулировали клетки электрическим током и измеряли их активность при помощи кальциевой микроскопии — метода, позволяющего визуализировать изменение концентрации кальция внутри клеток. Кальций является одним из ключевых медиаторов при передаче сигналов между клетками. Сравнивая результаты экспериментов с данными моделирования, ученые обнаружили высокую степень соответствия между искусственной и природной нейросетью.
Разработанная нейросеть может стать полезным инструментом для изучения механизмов нейрон-глиального взаимодействия и его роли в когнитивных функциях — таких, как память, обучение, мышление и творчество. Также модель может помочь выявить нарушения в работе нервной системы при различных заболеваниях — например, при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера или болезнь Паркинсона. При этих заболеваниях происходит постепенное уничтожение нейронов и нарушение их связей с астроцитами. Это приводит к снижению когнитивных способностей, двигательных функций и другим симптомам. Нейросеть может служить инструментом для диагностики и мониторинга этих заболеваний, а также для разработки новых методов лечения.
Разработанная нейросеть является одной из первых попыток учесть роль астроцитов в передаче и обработке информации в мозге. Это открывает перспективы для изучения нейрон-глиального взаимодействия и его влияния на когнитивные функции и поведение. Открытие может улучшить технологию ИИ, так как оно позволяет создавать более сложные и реалистичные модели мозга, которые могут обучаться и адаптироваться к различным задачам. Нейрон-глиальное взаимодействие является важным фактором, влияющим на когнитивные функции и поведение. Учитывая роль астроцитов в передаче и обработке информации в мозге, можно создавать нейросети, которые будут более эффективными, гибкими и устойчивыми к шумам и помехам.
— руководитель проекта, кандидат физико-математических наук Сергей Стасенко.
Нейросети с астроцитами могут также помочь в развитии новых подходов к искусственному интеллекту, основанных на коннекционизме — философском течении, которое считает, что интеллект возникает из взаимодействия большого количества простых элементов (нейронов и глиальных клеток). Такие подходы могут быть более приближены к естественному интеллекту, чем традиционные алгоритмы, основанные на символьной логике. Нейросети с астроцитами могут также способствовать созданию искусственного сознания — способности компьютерных систем осознавать себя и окружающий мир.
Как работает нейросеть
Нейронная сеть — математическая модель, которая построена на основе алгоритма работы человеческой нервной системы. Нейронная сеть получает данные на входе и обрабатывает их при помощи «искусственных нейронов» — вычислительных кластеров, соединенных между собой. В результате программа выдает «ответ» на выходе.
Ученые использовали спайковую нейронную сеть, которая получает и выдает серию спайков (импульсов). Спайковая нейронная сеть имитирует работу биологической нервной системы, которая также использует спайки для кодирования информации.
Зачем к модели подключили астроциты
Раньше считалось, что в передаче сигналов в мозге участвуют только нейроны. Однако последние исследования показали, что в этом процессе также участвуют астроциты. Астроциты защищают нейроны от перевозбуждения и «очищают» передаваемые сигналы от лишних шумов. Также они могут регулировать выработку и рецепцию нейромедиаторов — веществ, которые передают сигналы между нейронами. Таким образом, астроциты модулируют работу нейронной сети и влияют на ее способность к обучению и запоминанию.
Ученые добавили астроциты в свою нейронную сеть и учли их влияние на передачу сигналов между нейронами. Они подавали на вход сети изображения различных объектов и фиксировали выходные спайки. Затем они анализировали, как меняется активность нейронов и астроцитов при разных стимулах.
Как моделировали процесс зрения
Для проверки работы нейросети ученые использовали данные о процессе зрения. Они подавали на вход сети изображения цифр от 0 до 9 и обучали ее распознавать их. Оказалось, что астроциты не только реагируют на изменение изображения, но и участвуют в формировании выходных спайков. Таким образом, астроциты помогают нейросети распознавать цифры.
Ученые также провели эксперименты с реальными клетками мозга крысы, выращенными in vitro (в пробирке). Они стимулировали клетки электрическим током и измеряли их активность при помощи кальциевой микроскопии — метода, позволяющего визуализировать изменение концентрации кальция внутри клеток. Кальций является одним из ключевых медиаторов при передаче сигналов между клетками. Сравнивая результаты экспериментов с данными моделирования, ученые обнаружили высокую степень соответствия между искусственной и природной нейросетью.
Прорыв в лечении болезней
Разработанная нейросеть может стать полезным инструментом для изучения механизмов нейрон-глиального взаимодействия и его роли в когнитивных функциях — таких, как память, обучение, мышление и творчество. Также модель может помочь выявить нарушения в работе нервной системы при различных заболеваниях — например, при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера или болезнь Паркинсона. При этих заболеваниях происходит постепенное уничтожение нейронов и нарушение их связей с астроцитами. Это приводит к снижению когнитивных способностей, двигательных функций и другим симптомам. Нейросеть может служить инструментом для диагностики и мониторинга этих заболеваний, а также для разработки новых методов лечения.
Новые перспективы искусственного интеллекта
Разработанная нейросеть является одной из первых попыток учесть роль астроцитов в передаче и обработке информации в мозге. Это открывает перспективы для изучения нейрон-глиального взаимодействия и его влияния на когнитивные функции и поведение. Открытие может улучшить технологию ИИ, так как оно позволяет создавать более сложные и реалистичные модели мозга, которые могут обучаться и адаптироваться к различным задачам. Нейрон-глиальное взаимодействие является важным фактором, влияющим на когнитивные функции и поведение. Учитывая роль астроцитов в передаче и обработке информации в мозге, можно создавать нейросети, которые будут более эффективными, гибкими и устойчивыми к шумам и помехам.
Полученные результаты помогут лучше понять, как кодируется информация в мозге. Также разработка нейронной сети с помехоустойчивостью и возможностью управления динамикой искусственных нейронов будет крайне полезна в области развития систем искусственного интеллекта и анализа данных
— руководитель проекта, кандидат физико-математических наук Сергей Стасенко.
Нейросети с астроцитами могут также помочь в развитии новых подходов к искусственному интеллекту, основанных на коннекционизме — философском течении, которое считает, что интеллект возникает из взаимодействия большого количества простых элементов (нейронов и глиальных клеток). Такие подходы могут быть более приближены к естественному интеллекту, чем традиционные алгоритмы, основанные на символьной логике. Нейросети с астроцитами могут также способствовать созданию искусственного сознания — способности компьютерных систем осознавать себя и окружающий мир.
- Евгения Бусина
- Сергей Стасенко
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
Самый наглый археологический фейк в истории: итальянец 20 лет показывал туристам фальшивый амфитеатр Цезаря
Судебный процесс длилось почти десятилетие, но даже сейчас эта история очень далека от завершения...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...