Культивированная нейронная сеть
Культивированная нейронная сеть — это клеточная культура нейронов, которая используется в качестве модели для изучения центральной нервной системы , особенно мозга . Часто культивируемые нейронные сети подключаются к устройству ввода/вывода, такому как многоэлектродная матрица (МЭА), что обеспечивает двустороннюю связь между исследователем и сетью. Эта модель оказалась бесценным инструментом для ученых, изучающих основные принципы нейронного обучения , памяти , пластичности , связности и обработки информации . [1]
Культивированные нейроны часто подключаются через компьютер к реальному или смоделированному роботизированному компоненту, создавая соответственно гибрид или анимат . Затем исследователи смогут тщательно изучить обучение и пластичность в реалистичном контексте, где нейронные сети смогут взаимодействовать с окружающей средой и получать хотя бы некоторую искусственную сенсорную обратную связь. Один из примеров этого можно увидеть в системе Multielectrode Array Art (MEART), разработанной исследовательской группой Поттера в Технологическом институте Джорджии в сотрудничестве с SymbioticA , Центром передового опыта в области биологического искусства, Университета Западной Австралии . [2] Другой пример можно увидеть в анимате, управляемом нейронами . [3]
Использовать в качестве модели
[ редактировать ]Преимущества
[ редактировать ]Использование культивируемых нейронных сетей в качестве модели для их аналогов in vivo было незаменимым ресурсом на протяжении десятилетий. [4] Это позволяет исследователям исследовать активность нейронов в гораздо более контролируемой среде, чем это было бы возможно в живом организме. Благодаря этому механизму исследователи собрали важную информацию о механизмах обучения и памяти.
Культивированная нейронная сеть позволяет исследователям наблюдать активность нейронов с нескольких точек зрения. Электрофизиологическая запись и стимуляция могут происходить либо по сети, либо локально через MEA, а развитие сети можно визуально наблюдать с помощью методов микроскопии. [4] Более того, химический анализ нейронов и их окружения выполнить легче, чем в условиях in vivo . [4] [5]
Недостатки
[ редактировать ]Культивированные нейрональные сети по определению являются бестелесными культурами нейронов . Таким образом, находясь вне своей естественной среды, нейроны подвергаются воздействию, не являющемуся биологически нормальным. Главным среди этих аномалий является тот факт, что нейроны обычно собираются в виде нервных стволовых клеток у плода и, следовательно, разрушаются на критической стадии развития сети. [6] Когда нейроны подвешивают в растворе и затем распределяют, ранее установленные связи разрушаются и образуются новые. В конечном итоге связность (и, следовательно, функциональность) ткани меняется по сравнению с тем, что предлагалось в исходном шаблоне.
Еще один недостаток заключается в том, что у культивируемых нейронов нет тела и, таким образом, они лишены сенсорной информации, а также способности выражать поведение – важнейшую характеристику в экспериментах по обучению и памяти. Считается, что такая сенсорная депривация оказывает неблагоприятное воздействие на развитие этих культур и может привести к ненормальным моделям поведения во всей сети. [6]
Культивируемые сети на традиционных МЭА представляют собой плоские однослойные листы клеток со связностью только в двух измерениях. Большинство нейрональных систем in vivo , напротив, представляют собой большие трехмерные структуры с гораздо большей взаимосвязанностью. Это остается одним из самых ярких отличий между моделью и реальностью, и этот факт, вероятно, играет большую роль в искажении некоторых выводов, полученных в результате экспериментов, основанных на этой модели.
Выращивание нейронной сети
[ редактировать ]Нейроны используются
[ редактировать ]Из-за своей широкой доступности нейронные сети обычно культивируются из диссоциированных нейронов крысы. В исследованиях обычно используются кортикальные , гиппокампальные и спинномозговые нейроны крыс , хотя также использовались нейроны лабораторных мышей. В настоящее время относительно мало исследований было проведено по выращиванию нейронных сетей приматов и других животных. Для сбора нервных стволовых клеток необходимо принести в жертву развивающийся плод. Этот процесс считается слишком дорогостоящим для проведения на многих млекопитающих, что имеет ценность в других исследованиях.
Однако в одном исследовании человеческие нервные стволовые клетки, выращенные в сеть, использовались для управления роботизированным приводом. Эти клетки были получены от плода, который самопроизвольно прервался после десяти недель беременности. [7]
Долгосрочная культура
[ редактировать ]Одной из самых серьезных проблем, связанных с культивируемыми нейронными сетями, является их недолговечность. Как и большинство клеточных культур, культуры нейронов очень восприимчивы к инфекции . Они также подвержены гиперосмоляльности из -за испарения в среде . [4] Длительные сроки, связанные с изучением пластичности нейронов (обычно исчисляемые месяцами), делают продление продолжительности жизни нейронов in vitro первостепенной задачей.
Одним из решений этой проблемы является выращивание клеток на МЭА внутри герметичной камеры. Эта камера служит неувлажняемым инкубатором , окруженным мембраной из фторированного этиленпропилена (ФЭП), проницаемой для некоторых газов (т. е. газов, необходимых для метаболизма), но непроницаемой для воды и микробов. [4] Другие решения предполагают использование инкубатора с непроницаемой мембраной, воздух с 5% CO 2 ). внутри которой находится определенная смесь газов (обычно [4]
Микроэлектродные матрицы (МЭА)
[ редактировать ]Микроэлектродная матрица (МЭА), также обычно называемая многоэлектродной матрицей, представляет собой узорчатую решетку электродов, расположенных в прозрачной подложке, используемой для связи с контактирующими с ней нейронами. Связь может быть и обычно является двунаправленной; исследователи могут как записывать электрофизиологические данные из работающей сети, так и стимулировать их.
Это устройство уже более тридцати лет является незаменимым биосенсором. Его использовали не только при изучении пластичности нейронов и обработки информации, но также при изучении воздействия лекарств и токсинов на нейроны. Кроме того, в сочетании с герметичной инкубационной камерой это устройство значительно снижает риск заражения культуры, практически устраняя необходимость подвергать его воздействию воздуха. [4] [5] [8]
В настоящее время широко используемые МЭБ имеют относительно низкое пространственное разрешение. Они используют около шестидесяти электродов для записи и стимуляции по различным схемам в чашке с типичной культурой 50 000 клеток или более (или плотностью 5 000 клеток/мм). 2 ). [9] Отсюда следует, что каждый электрод в массиве обслуживает большой кластер нейронов и не может предоставить точную информацию об источнике и назначении сигнала; такие МПС способны только собирать и стимулировать данные по конкретному региону.
В идеале было бы возможно записывать и стимулировать один или несколько нейронов одновременно. Действительно, такие компании, как Axion Biosystems, работают над тем, чтобы обеспечить для этой цели МЭА гораздо более высокого пространственного разрешения (максимум 768 входных/выходных электродов). [10] Другое исследование направлено на установление стабильной связи «один к одному» между нейронами и электродами. Целью было создать идеальную ситуацию с интерфейсом, установив соответствие с каждым нейроном в сети. Они делают это, заключая в клетки отдельные нейроны, в то же время позволяя аксонам и дендритам расширяться и устанавливать связи. Нейроны содержатся в нейроклетках или других видах контейнеров, а само устройство можно назвать клетками нейронов MEA или нейрочипами . [8]
Другие исследования предлагают альтернативные методы стимуляции нейронов in vitro . В одном исследовании изучается использование лазерного луча для освобождения клеточных соединений, таких как нейротрансмиттеры и нейромодуляторы . [5] Лазерный луч с длиной волны в УФ- спектре будет иметь чрезвычайно высокую пространственную точность и, высвобождая заключенные в клетки соединения, может использоваться для воздействия на очень избранный набор нейронов.
Поведение сети
[ редактировать ]Спонтанная сетевая активность
[ редактировать ]Спонтанные всплески сети являются обычным явлением в нейронных сетях как in vitro , так и in vivo . [11] In vitro эта деятельность особенно важна в исследованиях обучения и пластичности. Такие эксперименты внимательно изучают активность всей сети как до, так и после экспериментов, чтобы выявить любые изменения, которые могут повлиять на пластичность или даже на обучение. [9] Однако эту экспериментальную технику сбивает с толку тот факт, что нормальное развитие нейронов вызывает изменения во всплесках всего массива, которые могут легко исказить данные. Однако in vivo было высказано предположение, что эти сетевые всплески могут формировать основу воспоминаний. [9] [11]
В зависимости от экспериментальной точки зрения, всплески в масштабах всей сети можно рассматривать как положительно, так и отрицательно. В патологическом смысле спонтанную сетевую активность можно объяснить развоплощением нейронов; одно исследование выявило заметную разницу между частотой стрельбы по всему массиву в культурах, которые получали непрерывный ввод, и в тех, которые этого не делали. [12] Чтобы устранить аберрантную активность, исследователи обычно используют магний или синаптические блокаторы, чтобы успокоить сеть. Однако этот подход имеет большие затраты; успокоенные сети имеют небольшую способность к пластичности. [11] из-за снижения способности создавать потенциалы действия . Другой и, возможно, более эффективный подход — использование низкочастотной стимуляции, имитирующей сенсорную фоновую активность. [13]
С другой стороны, сетевые всплески можно считать безвредными и даже хорошими. Любая сеть демонстрирует неслучайные, структурированные всплески. [11] Некоторые исследования показали, что эти всплески представляют собой носители информации, выражение памяти, средство формирования сетью соответствующих связей и обучение при изменении их структуры. [9] [12] [13] [14]
Пакетная стабильность по всему массиву
[ редактировать ]Стегенга и др. намеревались установить стабильность спонтанных сетевых всплесков как функцию времени. Они наблюдали всплески на протяжении всей жизни клеточных культур, начиная с 4–7 дней in vitro (DIV) и продолжаясь до гибели культуры. Они собрали профили сетевых всплесков (BP) посредством математического наблюдения за частотой всплесков по всему массиву (AWSR), которая представляет собой сумму потенциалов действия по всем электродам в MEA. Этот анализ позволил сделать вывод, что в их культуре клеток крыс Wistar неокортексных AWSR имеет длительное время подъема и спада во время раннего развития и более резкие и интенсивные профили примерно после 25 DIV. Однако использование BP имеет свойственный недостаток; BP представляют собой среднее значение всей сетевой активности с течением времени и, следовательно, содержат только временную информацию. Чтобы получить данные о пространственной структуре сетевой активности, они разработали так называемые фазовые профили (ФП), которые содержат данные, специфичные для электродов. [9]
Данные были собраны с использованием этих PP за периоды от миллисекунд до дней. Их цель состояла в том, чтобы установить стабильность профилей сетевых всплесков в масштабе времени от минут до часов, а также установить стабильность или изменения в развитии в течение дней. Таким образом, им удалось продемонстрировать стабильность в течение минут или часов, но PP, собранные в течение дней, показали значительную изменчивость. Эти результаты подразумевают, что исследования пластичности нейронов могут проводиться только в течение минут или часов без смещения сетевой активности, вызванного нормальным развитием. [9]
Обучение против пластичности
[ редактировать ]В области нейробиологии существует много споров по поводу того, может ли культивируемая нейронная сеть обучаться. Решающий шаг в поиске ответа на эту проблему заключается в установлении разницы между обучением и пластичностью . Одно из определений предполагает, что обучение — это «приобретение нового поведения посредством опыта». [15] Следствием этого аргумента является необходимость взаимодействия с окружающей средой, на что культивируемые нейроны практически неспособны без сенсорных систем. Пластичность, с другой стороны, — это просто изменение существующей сети путем изменения связей между нейронами: образование и устранение синапсов или расширение и втягивание нейритов и дендритных шипиков . [1] Но эти два определения не являются взаимоисключающими; для того, чтобы имело место обучение, должна иметь место и пластичность.
Чтобы организовать обучение в культурной сети, исследователи попытались заново воплотить разрозненные нейронные сети либо в моделируемой, либо в реальной среде (см. MEART и animat ). Благодаря этому методу сети могут взаимодействовать со своей средой и, следовательно, иметь возможность учиться в более реалистичных условиях. Другие исследования пытались запечатлеть в сетях шаблоны сигналов посредством искусственной стимуляции. [14] Этого можно добиться, вызывая сетевые всплески. [11] или путем ввода определенных шаблонов в нейроны, из которых ожидается, что сеть получит некоторый смысл (как в экспериментах с аниматами, где произвольный сигнал в сеть указывает, что моделируемое животное врезалось в стену или движется в определенном направлении, и т. д.). [3] [7] Последний метод пытается воспользоваться присущей нейронным сетям способностью понимать закономерности. Однако эксперименты имели ограниченный успех в демонстрации широко признанного определения обучения. Тем не менее, пластичность нейронных сетей — это явление, хорошо известное в нейробиологическом сообществе, которое, как полагают, играет очень большую роль в обучении. [1]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Вагенаар Д.А., Пайн Дж., Поттер С.М. (2006). «Поиск пластичности в диссоциированных кортикальных культурах на многоэлектродных матрицах» . Журнал отрицательных результатов в биомедицине . 5 : 516–35. дои : 10.1186/1477-5751-5-16 . ПМК 1800351 . ПМИД 17067395 .
- ^ Баккум DJ, Гамблен П.М., Бен-Ари Б., Чао З.К., Поттер С.М. (2007). «МЕАРТ: Полуживой художник». Границы нейроробототехники . 5 : 1–10.
- ^ Jump up to: а б ДеМарс ТБ, Вагенар Д.А., Блау А.В., Поттер С.М. (2001). «Анимат с нервным управлением: биологический мозг, действующий с помощью симулированных тел» (PDF) . Автономные роботы . 11 (3): 305–310. дои : 10.1023/А:1012407611130 . ПМК 2440704 . ПМИД 18584059 . Архивировано из оригинала (PDF) 7 апреля 2005 г. Проверено 17 сентября 2009 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Поттер С.М., ДеМарс ТБ (2001). «Новый подход к культуре нервных клеток для долгосрочных исследований». Журнал методов нейробиологии . 110 (1–2): 17–24. дои : 10.1016/S0165-0270(01)00412-5 . ПМИД 11564520 . S2CID 18002796 .
- ^ Jump up to: а б с Гецци Д., Менегон А., Педроччи А., Валторта Ф., Ферриньо Г. (2008). «Устройство с микроэлектродной матрицей, соединенное с лазерной системой для локальной стимуляции нейронов оптическим высвобождением глутамата». Журнал методов нейробиологии . 175 (1): 70–78. doi : 10.1016/j.jneumeth.2008.08.003 . ПМИД 18761373 . S2CID 21313380 .
- ^ Jump up to: а б Поттер С.М., Вагенаар Д.А., Мадхаван Р., Демарс ТБ (2003). «Долгосрочные двунаправленные нейронные интерфейсы для управления роботами и исследований обучения in vitro» (PDF) . Материалы 25-й ежегодной международной конференции Общества инженерии в медицине и биологии IEEE (номер по каталогу IEEE 03CH37439) . стр. 3690–3693. дои : 10.1109/IEMBS.2003.1280959 . ISBN 978-0-7803-7789-9 . ISSN 1094-687X . S2CID 12213854 .
{{cite book}}: CS1 maint: дата и год ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Пицци Р.М., Россетти Д., Чино Г., Марино Д., Вескови А.Л., Баер В. (2008). «Нейронная сеть культурного человека управляет роботизированным приводом» (PDF) . БиоСистемы . 95 (2): 137–144. doi : 10.1016/j.biosystems.2008.09.006 . HDL : 2434/140059 . ПМИД 18983888 .
- ^ Jump up to: а б Эриксон Дж., Тукер А., Тай Ю.К., Пайн Дж. (2008). «МЭА нейрона в клетке: система для долгосрочного исследования связности культивируемых нейронных сетей» . Журнал методов нейробиологии . 175 (1): 1–16. doi : 10.1016/j.jneumeth.2008.07.023 . ПМЦ 2585802 . ПМИД 18775453 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Стегенга Дж., Фебер Дж.Л., Марани Э., Руттен В.Л. (2008). «Анализ культивируемых нейрональных сетей с использованием характеристик внутривспышечного возбуждения» . Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 55 (4): 1382–1390. дои : 10.1109/TBME.2007.913987 . ПМИД 18390329 . S2CID 503793 .
- ^ «Аксион МЭА Системс» .
- ^ Jump up to: а б с д и Поттер, С. (2008). «Как нам следует относиться к всплескам?». 6-й Межд. Совещание по интегрированным в подложку микроэлектродам . стр. 22–25.
- ^ Jump up to: а б Вагенаар Д.А., Пайн Дж., Поттер С.М. (2006). «Чрезвычайно богатый репертуар разрывающихся паттернов в процессе развития корковых культур» . BMC Нейронаука . 7 (1): 11. дои : 10.1186/1471-2202-7-11 . ПМК 1420316 . ПМИД 16464257 .
- ^ Jump up to: а б Чао З.К., Вагенаар Д.А., Поттер С.М. (2005). «Влияние случайной внешней фоновой стимуляции на синаптическую стабильность сети после тетанизации: моделирование» . Нейроинформатика . 3 (3): 263–280. дои : 10.1385/NI:3:3:263 . ПМК 2584804 . ПМИД 16077162 .
- ^ Jump up to: а б Баручи I, Бен-Джейкоб Э (2007). «На пути к чипу нейропамяти: запечатление нескольких воспоминаний в культурных нейронных сетях». Физический обзор E . 75 (5): 050901. Бибкод : 2007PhRvE..75e0901B . дои : 10.1103/physreve.75.050901 . ПМИД 17677014 .
- ^ Баккум, Дуглас Дж.; Школьник, Александр С.; Бен-Ари, Гай; Гэмблен, Фил; ДеМарс, Томас Б.; Поттер, Стив М. (2004). «Удаление некоторой буквы «А» из ИИ: воплощенные культурные сети». Воплощенный искусственный интеллект (PDF) . Спрингер. стр. 130–145. дои : 10.1007/978-3-540-27833-7_10 . ISBN 978-3-540-22484-6 .