Исследование функционирования нейрогибридной системы на основе радиотехнического генератора ФитцХью–Нагумо и живых нейронов гиппокампа мыши

Полный текст

В настоящее время при лечении нейродегенеративных заболеваний, которые плохо поддаются медикаментозной терапии, производят электрическую стимуляцию мозга посредством инвазивного вмешательства в повреждённые структуры нервной ткани. Разработка и развитие инвазивных технологий нейронных интерфейсов с замкнутым контуром позволили добиться больших успехов в восстановлении нейронных связей, поскольку эти технологии имеют более тонкую и чёткую настройку стимуляции, реагирующую на изменения физиологического состояния, что важно в процессе восстановления функций нервной ткани. Достижения в этих областях открывают перспективы для лечения широкого спектра заболеваний двигательной системы и нейродегенеративных заболеваний мозга.

В данном исследовании применяли нейрогибридную замкнутую систему, состоящую из радиотехнического генератора ФитцХью-Нагумо и живых переживающих срезов гиппокампа мозга мыши. Для приготовления переживающих срезов гиппокампа использовали половозрелых мышей-самцов линии C57BL/6 в возрасте 2–3 мес. Для приготовления и инкубирования срезов гиппокампа использовали раствор искусственной спинномозговой жидкости (ACSF), состав (мМ): 126,0 NaCl; 3,5 KCl; 1,2 KH₂PO₄; 26,0 NaHCO₃; 1,3 MgCl * 6H₂O; 2 CaCl₂ * 6H₂O; 10 D-глюкоза при постоянном насыщении карбогеном (95% О2 и 5% СО2). Регистрацию электрической активности нейронов мозга проводили с использованием оптических и электрофизиологических методов.

В экспериментах по сопряжению нейроноподобного генератора ФитцХью–Нагумо и биологических нервных клеток в замкнутом контуре был получен эффект, когда активность нервных клеток мозга переключала генератор в автоколебательный режим. Вызванные колебания в нейроподобном генераторе давали эффективный стимул для активации нервных волокон в составе перфорантного пути гиппокампа. В результате удалось зафиксировать уменьшение частоты импульсов генератора, что было спровоцировано ответами живых нейронов на приходящий стимул с нейроподобного генератора. Данные результаты показывают способность живых нейронных сетей управлять искусственным сигналом с помощью подстройки его параметров к изменениям собственной активности и подтверждают работоспособность использования систем с замкнутым контуром при объединении живых и искусственных нейронов. Настоящее исследование требует дальнейших экспериментов для создания более физиологичных условий функционирования предложенной нейрогибридной системы. Кроме того, данная нейрогибридная система будет усовершенствоваться и обладать адаптивными свойствами за счёт использования мемристивных устройств. Успехи в этом направлении помогут решить актуальную проблему восстановления утраченных функций мозга на клеточном и сетевом уровнях.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Источник финансирования. Исследование выполнено в рамках научной программы Национального центра физики и математики «Исследование и разработка нейроморфных и нейрогибридных систем искусственного интеллекта» (Договор № 96-2022/181 от 13.07.2022 г.) в рамках научной программы Национального центра физики и математики (направление «Искусственный интеллект и большие данные в технических, промышленных, природных и социальных системах»).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Об авторах

М. В. Матвеева

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского

Автор, ответственный за переписку.
Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород

А. А. Федулина

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского

Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород

А. В. Бельтюкова

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского

Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород

К. Е. Мальцева

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского

Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород

С. А. Герасимова

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского

Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород

М. А. Мищенко

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского

Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород

А. Н. Михайлов

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского

Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород

В. Б. Казанцев

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского

Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород

А. В. Лебедева

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского

Email: m.matveeva288@gmail.com
Россия, Нижний Новгород

Список литературы

Дополнительные файлы