Ученые выяснили, как сила связи влияет на синхронизацию нейронов
Ученые Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (СГУ) показали, что два связанных между собой нейрона могут переходить в разные режимы работы — от молчания до синхронных колебаний — в зависимости от силы их взаимодействия и внешнего тока. Это открытие помогает понять базовые механизмы работы нейронных сетей и может быть использовано в моделировании искусственного интеллекта и нейроинтерфейсов.
Исследователи провели численные эксперименты с двумя нейронами, смоделированными по классической биофизической модели Ходжкина — Хаксли. Эта модель подробно описывает электрические процессы в мембране нейрона и учитывает токи натрия, калия и пассивных ионов. В отличие от более простых моделей, таких как модель ФицХью — Нагумо, она ближе к реальным физиологическим процессам, что делает ее особенно ценной при изучении нейронной динамики.
Авторы исследовали, как поведение пары нейронов меняется при разных значениях внешнего тока, начального мембранного напряжения и силы связи между ними. Оказалось, что в зависимости от этих параметров система из двух нейронов может синхронизироваться в одном из трех режимов: состоянии покоя (без колебаний), одиночном «спайке» или устойчивом автоколебательном режиме. При этом поведение одного из нейронов напрямую зависит от другого: сильная связь может изменить исходный режим второго нейрона — как «разбудить» его, так и подавить возбуждение.
«Нами показано, что режимами двух моделей нейронов в связке можно управлять не только постоянным внешним током, но также величиной силы связи и даже с помощью начальных условий», — рассказала один из авторов исследования, сотрудник кафедры радиофизики и нелинейной динамики Института физики СГУ Татьяна Богатенко.
Ключевым результатом стало открытие порогового значения силы связи, при превышении которого режим работы нейронов резко меняется. Например, при слабом токе нейрон обычно пассивен, но если его связать с активным соседом, то при достижении определенной силы связи оба начинают синхронно колебаться. И наоборот, сильная связь способна привести к синхронному одиночному импульсу, даже если один из нейронов склонен к самовозбуждению.
По словам исследователей, если понять, как нейроны синхронизируются в малых группах, это даст ключ к пониманию более сложных процессов, в том числе, как работает мозг, но пока рано говорить о прямом переносе результатов на живые системы: мозг состоит из миллиардов нейронов, а в работе изучалась лишь простейшая пара. Однако авторы уверены, что их работа поможет в моделировании искусственных нейронных сетей или генерации синтетических сигналов, похожих на сигналы живой ткани.