Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Меню сайта
Категории раздела
Наш опрос
Оценка сайта нано-е.рф
Всего ответов: 58
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Компьютерный практикум и ИТ (МИФИ) » Конспекты (курсы КП и ПК)

Проект "Blue Brain"

НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-
ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ


Факультет Автоматики и Электроники
Кафедра Микро- и наноэлектроники
Курс «Компьютерный Практикум-13»

Проект “Blue Brain”

Выполнил: Селивёрстов Р.
Преподаватель: доц. Лапшинский В. А.
Москва 2013


Оглавление

Аннотация .........................3
Глоссарий .........................3
Введение ..........................4
Основной текст .................6
Заключение......................11
Список литературы............11
Для заметок.....................12

Аннотация
В данном конспекте рассмотрен проект “Blue Brain” - компьютерная модель, которая с высокой точностью предсказывает расположение синапсов в коре головного мозга крысы. Открытие универсальных принципов образования связей между нейронами позволяет предположить, что описание работы мозга млекопитающих (в том числе, человека) может появиться уже в ближайшее десятилетие.
В работе так же содержатся иллюстрации в ко-личестве трех штук.
В работе рассматривались следующие термины: ней-рон, синапс, колонка коры.

Глоссарий
Нейрон – это структурно-функциональная единица нервной системы
Синапс – место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой
Колонка коры (кортекса) – группа нейронов, располо-женная в коре головного мозга перпендикулярно его поверхности.

Введение
В данной статье объяснен принцип работы ком-пьютерной модели коры головного мозга животного, а также описаны все стадии работы ученых над этим проектом, трудности, с которыми им пришлось столкнуться в ходу работы, а также результаты исследования и его значение.

Blue Brain Project: как все связано?
История проекта Blue Brain началась в 2005 году в Институте Мозга и Сознания политехнического уни-верситета Лозанны в Швейцарии. Главной целью проек-та было объявлено создание полноценной компьютер-ной модели головного мозга млекопитающих, основан-ной, прежде всего, на биологически реалистичных мо-делях нейронов. Ученые называют это методом обрат-ного проектирования: сперва на компьютере, опираясь на данные биологических экспериментов, моделируют-ся отдельные нейроны [1] , а потом из них строятся блоки более высокой организации.
Первым смоделированным таким образом блоком стала отдельно взятая колонка коры больших полуша-рий крысы . Нейрональная колонка — это совокупность из нескольких десятков нейронов коры головного мозга, которая представляет собой функциональную единицу мозга, служащую для обработки информации в коре. Внутри колонки функции нейронов различаются, но со-седние колонки работают сходно (в зрительной коре они могут обрабатывать изображение, в моторной — обеспечивать управление движением рук, а в височной — формировать ассоциативные связи). Как и во многих других случаях, ученые начали свой проект с работы на модельном объекте, в данном случае — крысе. Колонка коры больших полушарий человека содержит около 60 тысяч нейронов, у крысы — в шесть раз меньше, «всего» 10 тысяч [2].


Рис. 1 – паттерн распределения синапсов

Для начала исследователи под руководством Ген-ри Маркрама создали полное морфологическое описа-ние колонки коры крысы — они исследовали большое количество срезов головного мозга животного и провели ряд экспериментов с окраской и электрической стимуляцией нейронов. В результате они подробно описали шесть типов нейронов и их связи друг с другом через синапсы. Все синапсы были классифицированы по двум параметрам – удаленность от тела нейрона и расположение на конкретной ветке отростков (отростки нейронов могут ветвиться, образуя ветви первого, второго и т.д. порядков) (рис. 1). Оказалось, что при такой классификации для каждого типа нейронов можно выявить свой паттерн расположения синапсов (рис. 2). Например, пирамидные нейроны пятого слоя коры типа TTL5 имеют 20–25% синапсов с базальными дендритами третьего порядка других TTL5 нейронов. Таким обра-зом, ученые описали коннектóм нейрональной колон-ки — полную модель всех синаптических связей в этом участке коры [3].


Рис. 2 - полученное с помощью микроскопа
изображение реальных нейронов

Исследования на модельных животных хороши тем, что ученые могут получить в свои руки достаточно много экспериментального материала. Биологических данных по устройству колонки в коре мозга крысы было достаточно, чтобы создать пространственную модель этой системы на компьютере. Группа Blue Brain Project смогла показать, где в пространстве находится каждый нейрон, и где расположены все синапсы, которые связывают его с соседями. Как создать такую модель для мозга человека? Получить достаточное количество образцов для картирования каждого нейрона и синапса не представляется возможным, да и нейронов в одной колонке коры человека гораздо больше, чем у крысы. Вот бы найти принципы, которые помогут смоделировать связи в коре больших полушарий мозга человека без обязательного описания положения каждого нейрона и всех его связей [2]!
Вопрос о том, каким образом нейроны находят партнера для образования синапса, давно будоражил умы нейробиологов. Многие были убеждены, что дело тут не обошлось без приворотного зелья — одни нейро-ны привлекают другие с помощью химических веществ, секретируемых в межклеточную среду. Если все связи в мозге образуются именно по такому принципу, на-званному «гипотезой хемоафинности», для моделиро-вания этих связей придется «разбирать» мозг на мелкие части и изучать связь в каждой паре нейронов (а ведь каждый нейрон связан не с одним, а со многими из своих соседей). Другие ученые предполагали, что связи нервных клеток образуются скорее случайным образом — каждый нейрон пускает отростки во все возможные стороны, и синапсы формируются там, где эти отростки сталкиваются друг с другом. Доказательства для этой гипотезы формирования коннектома очень сложно получить в биологических экспериментах на живой ткани, но решение этой проблемы оказалось под силу проекту Blue Brain [2].
Компьютерное моделирование позволило иссле-дователям создать статистическую модель структуры коннектома небольшого участка коры. Этот участок со-стоял из 298 кортикальных нейронов 6 типов, располо-женных в объеме, соответствующем колонке коры мозга крысы. Внутри этого объема расположение нейронов отвечало двум параметрам: плотность расположения и относительное количество нейронов каждого типа на отдельных уровнях колонки. В остальном, расположение нейронов было случайным, и сами модельные нейроны выбирались из базы случайным образом (рис. 3). После того, как каждый нейрон получил свое место, исследователи стали отмечать, где будут находиться синапсы, если они образуются в местах столкновения отростков. Так же, как и в случае с естественным коннектóмом колонки, для каждого типа нейронов было описано характерное расположение синапсов в этой статистической модели коннектóма по двум параметрам: удаленность от тела нейрона и расположение на конкретной ветке отростков.


Рис. 3 - модель колонки коры мозга

Таким образом, в руках ученых оказалось два на-бора данных, описывающих коннектóм — полученный при исследовании реального мозга и рассчитанный из модели статистической структуры коннектома. Оста-лось их сравнить!
Оказалось, что использованный способ моделирования описывает почти 75% связей, обнаруженных в живом мозге. Получается, что значительная часть синапсов образуется просто там, где отростки разных нейронов встречают друг друга.

Заключение
Таким образом, исследователи из Blue Brain Project нашли способ с достаточно высокой точностью предсказывать связи между нейронами, создавая мо-дель коннектóма. Работа показала, что знание конкрет-ного положения нейрона внутри определенного слоя коры не является необходимым для моделирования его связи с соседями. Достаточно расположить нейроны разных типов в правильных слоях, с подходящей плот-ностью и в необходимом количестве. Этот многообе-щающий вывод делает гораздо более реальным проект по моделированию коннектóма мозга человека — нам не обязательно картировать положение каждого нейро-на, достаточно гораздо более общих представлений о распределении нервных клеток в коре.

Список литературы
1. http://ru.wikipedia.org/wiki/BBP – Википедия
2. http://www.popmech.ru/article/5720-siniy-mozg/ – Популярная Механика
3. http://www.valinfo.ru/forum/index.php?showtopic=2842&hl=blue+brain/ - Форум ВАЛинфо
Категория: Конспекты (курсы КП и ПК) | Добавил: InFlamesWeTrust (04.06.2013) | Автор: Роман Селивёрстов
Просмотров: 1275 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Поиск
Друзья сайта