Тип: теоретический Область знаний: биофизика, радиофизика Метод: компьютерное моделирование

Цель работы:

Целью проекта является исследование фундаментальных механизмов лежащих в основе структурной организации сетей нейрональных клеток мозга и изучение влияния морфологии клеточной сети на динамические процессы передачи информационных сигналов.

Описание проекта:

Проект посвящен разработке и исследованию математической модели растущей нейронной сети, способной воспроизводить в развитии реалистичную геометрию нейронных отростков (нейритов). На текущем этапе развития проекта математическая модель формирования клеточной морфологии учитывает динамические процессы удлинения, ветвления и пространственной ориентации нейронального отростка Процесс удлинения нейрита полагается зависимым от величины концентрации активных веществ, продуцируемых в теле клетки (соме) и доставляемых посредством диффузионного тока и биологического транспорта в конус роста (окончание нейрита), где впоследствии расходуется на удлинение. Согласно разработанной модели концентрация веществ, доступных для развития нейрита в процессе удлинения, спадает по экспоненциальному закону с течением времени. Процесс ветвления дендрита описывается стохастической моделью, ставящей в соответствие каждому терминальному сегменту некоторую вероятность деления, зависящую от их общего числа и ранга, параметра характеризующего удаленность сегмента от тела клетки. На каждой итерации численного счета генератор случайных чисел разыгрывает событие ветвление для конуса роста, результатом этого процесса является возникновение двух дочерних ответвлений. Ключевая роль в разработанной модели отводится межклеточному взаимодействию, посредством которого осуществляется выбор направления роста нейрита. Источником данного воздействия являются специальные сигнальные молекулы, продуцируемые нейронами сети, которые, диффундируя сквозь межклеточное пространство, формируют некоторое управляющее поле. Интеграция конусом роста внеклеточных сигналов, поступающих со стороны всех нейронов, формирует некоторое предпочтительное направление в сторону клеток с притягивающим воздействием. Таким образом, выделяется некоторый целевой регион, куда отросток стремиться попасть, корректируя свое направление развития. Разработанный симулятор позволяет конфигурировать виртуальные нейрональные сети, морфологическая структура которых качественно согласуется с экспериментальными данными исследований сетевой морфологии. Полученный результат представляет задел для дальнейших численных экспериментов по созданию искусственной нейрональной сети, в которой процессы формирования сетевой морфологии тесно связаны с функциональной активностью, наблюдаемой в живых нейрональных системах.

Рисунок 1 - Результаты численного моделирования формирования клеточной морфологии Текущие задачи проекта включают:

• Получение и исследование зависимости характеристик морфологии нейронной сети от параметров роста, ветвления и навигации отростков
• Исследование существования и устойчивости стационарных состояний в модели удлинения и деградации одиночного нейрита под воздействием внешнего поля
• Разработка и реализация виртуальных морфологий различных нейронных систем (гиппокамп, кора и др.)
• Разработка и реализация модели возникновения и деградации синаптических контактов между нейронами виртуальных сетей
• Реализация компьютерного симулятора “виртуальный мозг”: введение в нейроморфную архитектуру сети биоэлектрической активности

Работа выполняется при поддержке грантов:

• Грант федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (№ 14.B37.21.1073 от 13.09.12).

Координатор проекта

Асп. Миронов В.И. (mironov@neuro.nnov.ru)

Научный руководитель

Д.ф.-м.н. Казанцев В.Б.

Коллектив исполнителей

Миронов В.И. Романов А.С. Казанцев В.Б.

Вакансии

Студент биологической специальности, выполнение курсовой/дипломной работы. Исследование биофизических механизмов роста, ветвления и навигации нейритов в мозге Студент физико-математической специальности (РФ, ФФ, ВМК, ВШОПФ), выполнение курсовой/дипломной работы. Разработка и исследование модели диффузионного транспорта строительных белков в нейронах мозга Студент физико-математической специальности (РФ, ФФ, ВМК, ВШОПФ), выполнение курсовой/дипломной работы. Разработка симулятора “виртуальный мозг”