ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ С АДАПТИВНЫМИ СВЯЗЯМИ С НЕЙРОННЫМИ СЕТЯМИ ГИППОКАМПА МЫШЕЙ Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

УДК 573

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ

С АДАПТИВНЫМИ СВЯЗЯМИ С НЕЙРОННЫМИ СЕТЯМИ ГИППОКАМПА МЫШЕЙ

DOI

Федулина А. А.1, Бельтюкова А. В.1, Мищенко М. А.1, Герасимова С. А.1, Белов А. И.1, Мальцева К. Е.1, Матвеева М. В.1, Михайлов А. Н.1, Казанцев В. Б.1, Лебедева А. В.1

1 ННГУ им. Н.И. Лобачевского e-mail: [email protected]

Аннотация. Исследование направлено на создание мозг-компьютерного интерфейса, для замещения утраченных функций отдельных участков мозга, путем изучения взаимодействия гибридной нейроморфной мемри-стивной системы с живыми сетями нейронов гиппокампа мозга мыши. Результаты, полученные в ходе данной научной работы, позволят совмещать искусственные и живые нейронные сети для развития задач нейропротези-рования и применения их в регенеративной медицине.

Ключевые слова: искусственные нейронные сети, мемристор, электрофизиология, гиппокамп

В работе предлагается адаптивная система стимуляции областей гиппокампа мозга мыши, действующая в обход поврежденных участков. В этой системе происходит сопряжение связей живых нейронов гиппокампа и мемристивного устройства в составе искусственных нейронных сетей (ИНС) для стимуляции и регистрации нейрональной активности. Мемристор представляет собой устройство с эффектом резистивного переключения, способное адаптивно менять и сохранять состояние внутреннего сопротивления в зависимости от приложенных к нему напряжения и тока. Это устройство состоит из тонкой пленки наноразмера, представляющей собой слоистую структуру «металл-оксид-металл». Мемри-

стор, используемый в данной работе, сконструирован на основе стабилизированного иттрием оксида циркония (Au/ZrO2 (Y)/TiN/ Ti) [1]. Разработаны и экспериментально испытываются ИНС модели Ходжкина—Хаксли и нейроморфная система, состоящая из связанных электронной схемой двух аппарат реализованных нейронов Фитц-Хью-Нагумо (FHN) [2; 3] и мемристора.

Таким образом, в эксперименте с электронной схемой FHN сигнал с выхода нейроноподобного генератора будет проходить по перфорантному пути гиппокампа: поступать на вход — зубчатую фасцию (ЗФ, DG- Dentate gyrus) и проходить через СА3 в СА1 область. Регистрируемый на выходе из гиппокампа сигнал будет поступать на верхний электрод мемристивного устройства, степень переключения которого будет зависеть от окисления и восстановления сегментов проводящих каналов (нитей) в оксидной пленке.

Целью данной работы является изучение взаимодействия искусственных нейронных сетей и мемристивных устройств с живыми нейронными сетями в гиппокампе мышей in vitro.

Для работы использовались мыши линии C57BL/6 в возрасте от 2-х месяцев.

Регистрировались электрическая активность единичного пирамидального нейрона в СА1 области, локальные полевые потенциалы нейронов гиппокампа в СА1 области при стимуляции в С A3 области. Так же регистрировались локальные полевые потенциалы нейронов в СА3 и СА1 областях при стимуляции на входе информационного пути гиппокампа в зубчатой фасции. Эксперименты производились в норме и при разрушении СА3 области гиппокампа. В экспериментах in vitro оценивалось резистивные переключения мемристивного устройства, производился анализ откликов мемри-стивного устройства и искусственного нейрона модели Ходжкина-Хаксли в ответ на нейрональную активность нейронов. На основе оценки и набора записанных внеклеточных нейрональных активностей проводилось обучение мемристивного устройства, сопряженного с ИНС модели Ходжкина-Хаксли.

Была проведена запись внутриклеточной и внеклеточной электрических активностей в срезах гиппокампа с разной частотой стимуляции для оценки резистивного переключения мемристора. Были показаны изменения в проводимости мемристора под воздействием записанного сигнала. Нейроподобный генератор стимулировался за счет выходного сигнала мемристора и генерировал

потенциалы действия при увеличении проводимости мемристора и амплитуды сигналов на его выходе. При анализе ответов искусственных нейронных сетей при взаимодействии с нейрональной активностью единичных нейронов было установлено, что генерация потенциала действия на искусственном нейроне запускалась при переключении мемристора в состояние, вызываемое поступлением сильного сигнала на нейроморфный чип.

Предлагаемая система является первым шагом к разработке новой технологии восстановления утраченных функций участков мозга с помощью адаптивных нейроморфных устройств, в которых сигнал от гибкой нейроморфной системы поступает к живой нервной ткани. Получение результаты дают перспективы для развития данного проекта в самом широком диапазоне от фундаментальных задач в области биомедицинских технологий и электроники до прикладных задач информационных технологий и робототехники.

Исследование выполнено в рамках научной программы Национального центра физики и математики (проект «Искусственный интеллект и большие данные в технических, промышленных, природных и социальных системах»), ННГУ им Н.И.Лобачевского «Приоритет-2030» (проект «Разработка нейроинженерных основ реализации технологии замещения поврежденных участков мозга с помощью искусственных нейронных сетей с адаптивными связями»).

Список литературы

1. Mikhaylov A., et al. Multilayer Metal-Oxide Memristive Device with Stabilized Resistive Switching // Adv.Mater. Technol. 2019. V. 5. P. 19.

2. Mishchenko M. A. et al. Optoelectronic system for brain neuronal network stimulation // PloS ONE. 2018. V. 13 (6).

3. Gerasimova S. A. et al. Simulation of synaptic coupling of neuronlike generators via a memristive device // Technical Physics. 2017. V. 62 (8). P. 1259-1265.

INVESTIGATION OF THE INTERACTION OF ARTIFICIAL NEURAL NETWORKS WITH ADAPTIVE CONNECTIONS WITH THE NEURAL NETWORKS OF THE HIPPOCAMPUS OF MICE

Fedulina A. A.1, Beltyukova A. V.1, Mishchenko M. A.1, Gerasimova S. A.1, Belov A. I.1, Maltseva K. E.1, Matveeva M. V.1, Mikhailov A. N.1, Kazantsev V. B.1, Lebedeva A. V.1

1 National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod, Russia

Abstract. The study is aimed at creating a brain-computer interface to replace the lost functions of individual parts of the brain by studying the interaction of a hybrid neuromorphic memristive system with living networks of neurons in the hippocampus of the mouse brain. The results obtained in the course of this scientific work will allow combining artificial and live neural networks for the development of neuroprosthetics problems and their application in regenerative medicine.

Key words: artificial neural networks, memristor, electrophysiology, hippocampus.