Введение к работе
Актуальность. Одной из актуальных проблем физиологии сенсорных систем является раскрытие механизмов многоканальной или параллельной переработки воспринимаемой информации. Для решения этой сложнейшей проблемы традиционные нейробиологические исследования дополняются методом моделирования, а предпочтение отдается препарату с ограниченным количеством входов.
На наш взгляд, очень удобным препаратом для исследования многоканальности может служить часть соматического анализатора, представляюшая рецепцию чувствительного волоска на морде животного - вибриссу. Она иннервируется 100-400 рецепторами и играет исключительно важную роль в деятельности тактильной системы. Вибриссы позволяют многим видам животных с высокой точностью оценивать характеристики динамического стимула, в том числе, дирекциональность.
Зона представительства вибрисс в соматосенсорной коре мозга некоторых грызунов ввиду особенностей ее внутренней организации /Woolsey, Van der Loos, 1970/. является удобным объектом для изучения закономерностей переработки тактильной информации. К настоящему времени выполнен ряд работ, посвященных изучению, с одной стороны, морфологических особенностей коркового представительства вибрисс /Woolsey, 1978/ и, с другой стороны, нейронной активности, возникающей в ответ на тактильный стимул в различных структурах тактильного анализатора /Сухов, 1992/. Известно, что формирование бочонков как структурно- функциональных единиц, связанных с переработкой тактильной информации, происходит в период до шестого дня постнатального развития. Однако в прямых физиологических исследованиях влияние частичного разрушения фолликула на структурирование нейронов соматической коры в бочонок экспериментально показано не было. Не были предложены и методики формализации нейронных реакций для последующего моделирования нейрофизиологических феноменов, например, чувствительности нейронов коры к направлению отклонения вибрисс, а также не уточнялось местонахождение этих нейронов с использованием гистологического контроля.
Следует отметить, что моделированию чувствительности вибрисс посвящена только одна работа, выполненная А.Г. Суховым с сотрудниками /Сухов, 1992/, и до настоящего времени практически не предлагались модели, иллюстрирующие параллельное реагирование нейронов коркового уровня анализатора при действии тактильного стимула на вибриссы животных. Вместе с тем известно, что характер рефлекторных реакций может быть дифференцированным в
зависимости от пространственно - временного паттерна входных сигналов /Коган, Кураев, 1976/. Поэтому морфо- функциональные исследования структурно - функциональной организации нейронов коркового представительства вибрисс с последующим моделированием могут значительно расширить наши представления о принципах функционирования нейронов в контексте параллельно последовательной обработки информации в тактильном анализаторе.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы явилось изучение и моделирование особенностей структурной организации и параллельного функционирования нейронов соматосенсорной коры мозга крысы при обработке тактильной информации.
Для достижения этой цели ставились следующие задачи:
-
Исследовать влияние частичного одностороннего разрушения рецепторов фолликула вибриссы на структурирование нейронов в бочонок для выбора гипотезы - нулевого варианта моделирования
-
Предложить алгоритмы структурирования нейронов, в том числе бочонка, для их последующего моделирования.
3. Исследовать характер реакций нейронов бочонков в
зависимости от одного из четырех направлений отклонения вибриссы и
предложить способ формализации результатов, позволяющий
идентифицировать их с результатами программного моделировании.
-
Предложить модель функционирования нейронов бочонка при отклонении соответствующей вибриссы последовательно в разных направлениях.
-
Проверить модель в программном эксперименте.
6. Определить оценочные характеристики схемотехнической
реализации модели.
Положения, выносимые на защиту. Полученные при решении этих задач результаты позволяют сделать следующие выводы и сформулировать следующие положения:
1. При частичном одностороннем разрушеннии фолликулов
вибрисс- в раннем онтогенезе крысы сохраняется характерная
цитоархитектоника их представительства в коре в виде бочонков,
подтверждающая колонковую гипотезу нулевым вариантом
моделирования.
2. Предложенны алгоритмы и построена модель, позволяющие
адекватно отобразить количественные соотношения нейронов
тактильного анализатора мозга крысы в цепочке структур рецепторы
вибриссы - колонка соматосенсорной коры, ограниченная бочонком, а
также "сила" их соматотопических связей.
3. Предложены критери и определены информативные признаки,
позволяющие идентифицировать направление отклонения вибриссы по
характеру паттерна активности нейронов бочонков, в частности, таких
характеристик ответной реакции, как вероятность ответа, латентный
период, интенсивность первичной активации, интенсивность вторичной
активации и степень синхронности.
4. Предложенны алгоритмы и построена рефлекторносетевая
модель, позволяющие адекватно отобразить механизм возникновения
формативного признака синхронности в паттерне активности нейронов
при рефлекторном распознавании направления отклонения вибриссы.
5. Оценочные характеристики созданной схемотехнической
модели клоновой . вертикальноарифметической нейросети
предпочтительнее для выбора аппаратурной реализации клопового
нейрокомпьютера.
Научная новизна результатов исследования,
-
Экспериментально показано, что при частичном повреждении фолликула вибриссы сокращается ее представительство в коре в виде уменьшения площади соответствующего бочонка.
-
Предложены пять критериев для выявления, формализации и моделирования дирекциональной чувствительности нейронов бочонков то характеру их паттерна активности.
-
Предложена модель функционирования нейронов бочонков при распознавании направлений отклонения вибриссы.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Разработана методика резания коры мозга крысы параллельно
мягкой оболочке.
2. Изучены паттерны активности нейронов при обработке
шформации в корковом отделе соматосенсорного анализатора при
склонении вибриссы в различных направлениях.
3. На основании экспериментальных и теоретических
[сследований предложена модель функционирования структур
актильного анализатора, созданы программа и схемотехнический
ариант рефлекторносетевой архитектуры с целью исследования ее
войсгв, характеристик и применимости к решению прикладных задач,
также для последующей реализации кленового нейрокомпьютера в [ИИ многопроцесорных вычислительных систем.
4. Полученные результаты расширяют существующие
редставления о морфогенезе и функционировании коркового отдела
эматосенсорного анализатора и формировании бочонков.
Результаты работы использовались в НИР "Разработка и
сследование рефлекторных нейросетевых моделей для решения
ожных динамических задач на нейрокомпьютерах". Кроме того,
результаты работы используются при проектировании новых образцов нейрокомпьютеров и основанных на них систем, предназначенных для решения прикладных задач.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований были доложены на конференции молодых ученых Северо-Кавказского научного центра высшей школы (1979 г.). на 7-ой, 8-ой, 10-ой и 11-ой Всесоюзных с международным участием конференциях по нейрокибернетике (г. Ростов- на- Дону, 1980, 1983, 1992,1995 г.г.), 28-й Всесоюзной конференции "Искусственный интеллект - 90" (Минск, 1990 г.), Международной конференции по проблемам бионики "БИОМОД-92" (Санкт-Петербург, 1992 г.), RNN/IEEE Symposium on Neuroinformatics and Neurocomputers, Rostov on Don, 1992 (Ростовна- Дону, 1992 г.), Семинаре-совещании "Алгоритмы обработки информации в нейроподобных системах" (Нижний Новгород, 1993):
Публикации. По теме диссертации опубликованы 15 работ, получен патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего 140 источника, из них 71 на иностранных языках, изложена на 118 страницах. Работа содержит 22 рисунка и 5 таблиц.