Введение к работе
Актуальность исследования. Особенность развития современной нейробиологии заключается в получении количественных данных на уровне отдельных нейронов, в т.ч. касающихся динамики мембранного потенциала в различных состояниях, свойств и вклада структурных компонент нейрона, ионных механизмов генерации импульсов и т.д. Полученные экспериментальные данные обобщаются и формализуются в виде биологически обоснованных детальных моделей, которые используются как эффективный инструмент для тестирования нейробиологических гипотез и формулировки предположений о возможных механизмах наблюдаемых феноменов, доступных экспериментальной проверке [P.S. Churchland, T.J. Sejnowski, 1992; E.L. Schwartz, 1990, 1993; C. Koch, 2005; E.M. Izhikevich, 2007; E. De Schutter, 2001, 2009; Р.А. Тикиджи-Хамбурьян, 2010]. С другой стороны, механизмы интеграции активности отдельных нейронов, их коллективное функционирование, способы популяционного кодирования/декодирования и обработки информации остаются Terra Incognita и являются предметом разнообразных гипотез [В.Л. Дунин-Барковский, 1978, 1997, 2003; V.B. Mountcastle, 1997; L.F. Abbott, P. Dayan, 2001; A.C. Scott, 2002; W. Gerstner, W.M. Kistler, 2002; J. Feng, 2004; T.J. Sejnowski, 2006; D. Purves et al, 2008]. Слабый прогресс исследований в области популяционной обработки сигналов определяется, прежде всего, ограниченными возможностями современных нейрофизиологических методов, что создает обширную область применения методов математического моделирования при комплексном исследовании наиболее сложных вопросов нейробиологии.
Одним из ярких примеров такого рода проблем является изучение нейронных основ бинаурального восприятия человеком и животными пространственного положения источника звука. В частности, внимание исследователей привлекают нейронные механизмы, лежащие в основе исключительной дифференциальной чувствительности слуховой системы к интерауральным различиям физических параметров звукового сигнала [Я.А. Альтман, 1990; J. Blauert, 1997]. В контексте данной задачи актуальным является понимание способности слуховой системы млекопитающих, образованной медленными и имеющими существенную шумовую компоненту нейронами, устойчиво детектировать микросекундные интерауральные временные различия (ИВР), которые несут ключевую информацию о положении источника низкочастотного звука при азимутальной локализации [J.W. Strutt (Rayleigh), 1907; Н.В. Позин, 1978; Я.А. Альтман, 1990; D. McAlpine, et al., 2001; B. Grothe et al, 2010]. Анализ морфологических и физиологических данных указывает на то, что высокоточное детектирование биологически релевантных значений ИВР не возможно на основе единичных нейронов, а является результатом специфической организации коллективной работы клеток билатеральных популяций слуховой системы [T.C.T. Yin, 2002; D. McAlpine, B. Grothe, 2003]. Классическая гипотеза описывает возможную морфофункциональную организацию билатеральных популяций как нейронную «карту» биологического диапазона значений ИВР и предполагает функционирование механизмов детектирования ИВР на основе «быстрых» нейронов - детекторов совпадения [L.A. Jeffress, 1948; N.I. Durlach, 1972]. Однако в последнее десятилетие выявлен ряд экспериментальных фактов (преимущественно при исследовании млекопитающих) о свойствах единичных клеток и, как следствие, вероятном характере популяционной динамики, которые не могут быть интерпретированы в рамках доминирующей гипотезы [A.R. Palmer et al., 2002; D. McAlpine et al., 2005; P. Joris, T.C.T. Yin, 2006; Grothe et al, 2010]. В связи с этим, возникает необходимость поиска и изучения альтернативных, основанных на современных нейробиологических данных, нейронных механизмов высокоточного детектирования ИВР, что определяет актуальность цели данного диссертационного исследования. При этом следует еще раз подчеркнуть, что на данный момент не существует прямых методов экспериментальной нейрофизиологии для исследования популяций средней и большой размерности с детализацией функциональных свойств отдельных нейронов. Это обосновывает адекватность применения методов математического моделирования для анализа механизмов детектирования ИВР в слуховой системе в свете современных экспериментальных данных.
Цель диссертационной работы: Исследование нейронных механизмов детектирования интерауральных временных различий на основе математического моделирования билатерально расположенных популяций специфических бинауральных клеток слуховых отделов ствола мозга.
Для достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие задачи:
1. Разработка исследовательской модели нейронной сети на основе формализации современных нейрофизиологических данных о морфофункциональной организации единичных нейронов и их популяций в бинауральной слуховой системе.
2. Теоретическое исследование принципа популяционного кодирования как основы механизма детектирования ИВР в рамках моделируемой биологической нейронной системы.
3. Тестирование функционирования механизма популяционного детектирования ИВР в имитационных численных экспериментах на исследовательской модели.
4. Исследование влияния на функционирование механизма популяционного детектирования ИВР различного рода шумовых процессов, свойственных реальной слуховой системе.
5. Разработка и тестирование методики выявления и прогнозирования феноменов субъективного слухового восприятия человека на базе исследовательской модели.
Методы исследования. При выполнении исследований в рамках диссертационной работы использовались биологически обоснованные модели нейронов и синапсов; математический аппарат, применяемый для детального нейромоделирования; аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений; отдельные разделы статистики и теории вероятности. Для реализации разработанной исследовательской модели в имитационных экспериментах применялись методы процедурного программирования.
Достоверность полученных результатов обусловлена согласованностью разработанной модели нейронной сети с современными нейрофизиологическими экспериментальными данными об организации бинауральной слуховой системы на различных уровнях: общей структуры, свойств и динамики активности единичных нейронов и синапсов, характера и величин шумовых процессов. Достоверность подтверждается математическим обоснованием, данными численного эксперимента на ЭВМ и результатами практического использования разработанных моделей, методов и алгоритмов. Биологическая релевантность исследуемого механизма популяционного детектирования ИВР обосновывается корреляцией динамики активности разработанной модели с результатами психофизических исследований механизмов формирования пространственного звукового образа при дихотической стимуляции [С.А. Полевая, 2009].
Научная новизна работы.
Разработана биологически адекватная исследовательская модель нейронной сети с детализацией свойств отдельных нейронов, которая основана на современных данных о структурной и функциональной организации билатеральных популяций бинауральных клеток слуховой системы. Модель впервые позволила исследовать целостную реализацию механизма детектирования ИВР, основанного на принципе популяционного кодирования.
Выявлена высокая точность и разрешающая способность исследуемого популяционного механизма при детектировании биологически релевантных значений ИВР.
Показано устойчивое функционирование механизма популяционного детектирования ИВР с микросекундной разрешающей способностью при наличии шумовых процессов, характерных для отдельных нейронов, популяций в целом и нейронных путей проведения сенсорной информации в слуховой системе.
Выявлена необходимость и оптимальность биологически релевантного диапазона шумов для высокоточного детектирования ИВР.
Впервые аналитически обосновано функционирование нейронного механизма детектирования ИВР, базирующегося на принципе популяционного кодирования.
На основе модельной реализации исследуемого механизма популяционного детектирования ИВР сформирована и протестирована методика выявления и прогнозирования особенностей восприятия субъективного звукового образа человеком в норме и при патологии различных отделов мозга.
Личный вклад соискателя в получении результатов.
Реализация исследовательской модели и формирование методики, разработка симуляционной среды, численные эксперименты, аналитическое исследование, обработка и анализ результатов исследования выполнены лично Васильковым В.А.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Результаты диссертационного исследования использованы при выполнении НИР по темам:
I) «Исследование и моделирование нейронных и системных механизмов объектного сенсорного восприятия» (№ гос. регистрации НИР: 01200957953), проводимой в НИИ НК ЮФУ;
II) «Исследование и моделирование иерархии механизмов активного зрительного и слухового восприятия» (№ гос. регистрации НИР: 01201155043), проводимой в НИИ НК ЮФУ;
III) «Разработка симуляторов живых систем, моделирование динамических режимов и их функционирования» (Программа фундаментальных научных исследований Президиума РАН «Математические методы нелинейной динамики»), проводимой в Институте прикладной физики РАН.
В рамках выполненного исследования разработан (и зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам) пакет прикладных программ (ППП) «STD Detector» для биологически адекватного нейромоделирования, который ориентирован на оперативное создание, модификацию и изучение нейронных популяций произвольной размерности с детализацией свойств отдельных нейронов. Пакет используется в исследовательских целях, а также внедрен в учебный процесс. В частности, в Институте прикладной физики РАН и Нижегородской государственной медицинской академии на основе ППП STD Detector и предложенной модели проводятся имитационные эксперименты в рамках комплексного исследования феноменов пространственной локализации звука, вызванных нарушением функционирования различных отделов слуховой системы (использование результатов работы подтверждается соответствующими актами). Кроме того, ППП STD Detector, в качестве компонента программного оснащения по моделированию, включен в практикум к курсу лекций «Биологически обоснованные модели нейронов и нейронных сетей».
Основные положения диссертационного исследования, выносимые на защиту:
1. Разработанная оригинальная модель нейронного механизма популяционного детектирования ИВР, аккумулирующая современные нейробиологические данные об организации системы бинаурального слуха.
2. Теоретическое обоснование функционирования механизма популяционного детектирования ИВР на основе аналитического исследования динамики активности моделей «бинауральных» нейронов слуховой системы.
3. Функционирование исследуемого механизма популяционного детектирования ИВР в детерминированной нейронной системе, а также при отсутствии точной настройки синаптических весов, наличии шума в активности единичных нейронов и случайного временного рассогласования бинаурального сенсорного сигнала при передаче по слуховым путям.
4. Ключевая роль шумовых процессов, характерных для реальной системы бинаурального слуха, в высокоточном детектировании микросекундных значений ИВР.
5. Методика выявления и прогнозирования феноменов формирования субъективного звукового образа, основанная на разработанной исследовательской модели.
Апробация работы. Результаты работы представлялись на Всероссийских и международных научных конференциях и семинарах, в том числе: 9, 10, 11 и 12-й Всероссийских научно-технических конференциях «Нейроинформатика» в 2007-2010 гг. (г. Москва, Россия); 17-й, 18-й и 20-й Международных конференциях по вычислительным нейронаукам «CNS» в 2008 г. (г. Портленд, США), 2009 г. (г. Берлин, Германия) и 2011 г. (г. Стокгольм, Швеция); 2-м «INCF» Конгрессе по нейроинформатике в 2009 г. (г. Пльзень, Чехия); 2-м Европейском симпозиуме аспирантов в области исследования слуха и акустики в 2009 г. (г. Ноттингем, Великобритания); 59-й научной конференции молодых ученых в 2007 г. (г. Ростов-на-Дону, Россия); 15-й летней научной школе-семинаре «Advanced Course in Computational Neuroscience» в 2010 г. (г. Фрайбург, Германия); научной молодежной школе-семинаре «Биофизические модели нейронов и взаимодействующих клеток мозга» в 2009 г. (г. Пущино, Россия); научном семинаре «Нейроинформатика и когнитивные исследования» НИИ Системных Исследований РАН в 2010 г. (г. Москва, Россия); научном семинаре Института математических наук Нью-Йоркского университета в 2010 г. (г. Нью-Йорк, США); научном семинаре Отделения нейронаук университета Коннектикута в 2010 г. (г. Фармингтон, США); научном семинаре Отделения фармакологии и физиологии университета Джорджа Вашингтона в 2010 г. (г. Вашингтон, США); научном семинаре «Нелинейная динамика в когнитивных исследованиях», проводимом в Институте прикладной физики РАН в 2010 г. (г. Нижний Новгород, Россия); научном семинаре Института математических проблем биологии РАН в 2010 г. (г. Пущино, Россия); ХХI-м Съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова в 2010 г. (г. Калуга, Россия).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, среди них: три в журналах, рекомендованных ВАК; четыре в полнотекстовых сборниках научных трудов Всероссийских научно-технических конференций; пять в тезисах международных научных конференций.
Получено одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (№ 2008612461 от 20.05.2008).
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общее количество страниц: 133. Работа содержит 24 иллюстрации и 1 таблицу; список литературы включает 159 наименований.
