Открытый семинар лаборатории № 11
В пятницу 19 июля в 17:00 в аудитории 615 ИППИ РАН состоится очередное заседание открытого семинара лаборатории № 11.
Мезоскопическая нейросетевая модель дистанционной активации очага эпилепсии
Докладчик: Александр Ваноевич Параскевов, научный сотрудник НИЦ «Курчатовский институт».
Аннотация: В планарных биологических нейронных сетях in vitro к определенному возрасту начинают спонтанно происходить события кратковременной глобальной синхронизации спайковой активности нейронов - популяционные спайки. Они возникают из небольшого числа стационарных центров нуклеации, напоминающих очаги возникновения эпилептических приступов. Если предположить, что есть функциональная аналогия между центрами нуклеации и очагами эпилепсии, не связанными с явными повреждениями мозга, то возникает вопрос – активируется ли такой очаг изнутри, т.е. автономно по отношению к окружающей нервной ткани, или извне? Сценарий «внутренней» активации предполагает, что очаг содержит пейсмекеры, т.е. нейроны, которые квази-периодически генерируют спайки без какой-либо внешней стимуляции. С другой стороны, есть экспериментальные данные, которые указывают на пространственно-нелокальную, «внешнюю» активацию очага эпилепсии.
Для прояснения ситуации мы построили математическую модель двумерной нейронной сети, состоящей из спайковых т.н. LIF (Leaky Integrate-and-Fire) нейронов, соединенных друг с другом синапсами, обладающими релаксационной пластичностью. Коннектом нейронной сети, т.е. совокупность межнейронных связей, формировался вероятностным образом, предполагая, что вероятность образования синаптического контакта экспоненциально убывает с расстоянием между нейронами. Спайковая активность сети поддерживалась за счет наличия у каждого нейрона постоянного «фонового» тока, величина которого определялась случайным образом из положительной части нормального распределения с ненулевым средним значением. Индивидуальные значения фоновых токов определяли естественный разброс возбудимости нейронов и долю нейронов-пейсмекеров от полного числа нейронов сети. Наконец, для решения поставленного вопроса, все нейроны-пейсмекеры были пространственно сгруппированы в круглом центральном пятне так, чтобы их пространственная плотность в пятне была такой же, как и средняя плотность нейронов сети. Такое искусственное расположение пейсмекеров не затронуло глобальный динамический режим спонтанных и нерегулярных популяционных спайков и критически помогло в визуализации процесса активации их центров нуклеации, что было практически невозможно сделать при естественном, пространственно-однородном распределении пейсмекеров.
Компьютерное моделирование показало, что стационарные центры нуклеации популяционных спайков (1) могут возникать в местах, расположенных далеко от пятна с пейсмекерами и (2) могут активироваться, не имея прямых связей от пейсмекеров. Не смотря на сравнительную простоту модели, эти результаты наглядно демонстрируют принципиальную возможность «внешней», дистанционной активации очага эпилепсии в мозге и качественно подтверждают интерпретацию вышеупомянутых экспериментальных данных.
Ключевые слова: двумерная нейронная сеть, спайковый нейрон, релаксационная синаптическая пластичность, популяционный спайк, математическая модель, фокальная эпилепсия.
| 17.07.2019 | Сидорова Василина Викторовна |