Как направленные связи формируют сложную динамику в нейронных сетях

Исследователи из Университета Тохоку использовали микрофлюидные устройства, чтобы выяснить, как направленные связи влияют на сложную динамику нейронных сетей. Результаты опубликованы в Neural Networks.

Метод исследования

Учёные создали нейронные сети с модульной структурой, аналогичной наблюдаемой в нервных системах животных. Направленные связи между модулями формировались с помощью микроканалов в микрофлюидном устройстве. Соединения были организованы по прямому распространению (feedforward), чтобы минимизировать чрезмерные возбуждающие реакции.

Для записи спонтанной активности сети использовалась визуализация кальция (calcium imaging).

Ключевые результаты

• Сети с направленными связями демонстрировали более сложные паттерны активности по сравнению с сетями без направленности.
• Исследователи разработали две математические модели на основе экспериментальных данных. Модели показали, что именно взаимодействие между модульностью и направленной связностью способствует возникновению сложной динамики.

Значение и перспективы

Как отметил ведущий автор Нобуаки Монма, мозг сложно понять отчасти потому, что он динамичен. Исследование in-vitro нейронов в контролируемой среде позволяет эффективно изучать фундаментальную роль однонаправленных связей в формировании динамики мозга.

Полученные результаты углубляют фундаментальное понимание нейронных сетей и могут найти применение в медицине и машинном обучении. По словам доцента Хидэаки Ямамото, эта работа также может предложить in-vitro модель для разработки биологически правдоподобных искусственных нейронных сетей.

Дальнейшее теоретическое развитие будет способствовать моделированию крупномасштабных сетей и может дать ключевые идеи для будущего анализа коннектома мозга.