Кіріспе

Жүйке жүйесінің белгілі бір нейрондық есептеуге қатысатын жасушаларының тобы. Нейрондық ансамбль – бұл белгілі бір нейрондық есептеуге қатысатын жүйке жүйесі жасушаларының (немесе мәдени ортада өсірілген нейрондардың) тобы.

Өмірбаян

Нейрондық ансамбль тұжырымдамасы Чарльз Шерингтонның еңбектеріне қайнар көз, ол орталық нерв жүйесінің жұмысын өзара байланысқан қоздырғыш және тежегіш нейрондардан құралған рефлекстік доғалар жүйесі ретінде сипаттады. Шерингтонның схемасында α мотонейрондар әртүрлі күрделіліктегі нейрондық тізбектердің соңғы ортақ жолы болып табылады: мотонейрондар көптеген кірістерді интеграциялап, соңғы шығысын бұлшық еттерге жібереді. Дональд Хебб өзінің танымал "Мінезқұлықты ұйымдастыру" (1949) кітабында нейрондық ансамбль ұғымын теориялық тұрғыдан дамытты. Ол "жасушалық жиынтықты" "қыртыс пен диэнцефалон жасушаларынан құралған, қысқа мерзімге жабық жүйе ретінде әрекет ете алатын және басқа да осындай жүйелерге ынталандыру бере алатын тараң құрылым" деп анықтады. Хебб функционалдық қажеттіліктерге байланысты жеке ми жасушаларының әртүрлі жасушалық жиынтықтарға қатысып, бірнеше есептеулерге қатысатынын ұсынды. 1980 жылдары Апостолос Георгопулос және оның әріптестері Рон Кеттнер, Эндрю Шварц және Кеннет Джонсон қозғалыс қабығының нейрондарының қозғалыс бағытын қалай кодтайтынын түсіндіру үшін популяциялық векторлық гипотезаны қалыптастырды. Бұл гипотеза жеке нейрондардың белгілі бір бағыттағы қозғалыстар үшін көбірек оқуға бейімділігіне, жеке нейрондар үшін басым бағыттар деп аталатын байқауға негізделген. Популяциялық векторлық модельде жеке нейрондар олардың оқу жылдамдығы арқылы басым бағыттары үшін "дауыс береді". Соңғы дауыс беру жеке басым бағыттардың нейрондық жылдамдықпен салмақталған векторлық қосындысы арқылы есептеледі. Бұл модель қозғалыс қабығының созу бағытын кодтауда сәтті болды және жаңа әсерлерді болжауға қабілетті болды. Мысалы, Георгопулостың популяциялық векторы визуалды стимулдардың орналасуын қолжетімді нысаналардың кеңістіктік ығысуына аударуға оқытылған маймылдардың ақыл-ойының айналуын дәл сипаттады.

Кодтау

Нейрондық ансамбльдер ақпаратты Википедияның жұмыс істеу принципіне ұқсас түрде кодтайды – көптеген қатысушылардың бірнеше түзетулері. Нейробиологтар жеке нейрондардың өте шулы екенін анықтады. Мысалы, көру қабығындағы бір ғана нейронның белсенділігін зерттеу арқылы, ми иесі қарап тұрған көріністі қайта құру өте қиын. Википедияға қатысушы сияқты, жеке нейронның барлығын "білуі" мүмкін емес және қате жасауы ықтимал. Бұл мәселені мидың миллиардтаған нейрондары шешеді. Мидың ақпаратты өңдеуі – популяциялық өңдеу, және ол да таралған. Көп жағдайда әр нейронның барлық нәрсе туралы шамалы білімі болады, және қанша нейрон жұмысқа қатысса, ақпаратты кодтау соншалықты дәл болады. Таралған өңдеу схемасында жеке нейрондар нейрондық шуды көрсетуі мүмкін, бірақ популяцияның өзі бұл шуды тегістейді. Ансамбль гипотезасына баламалы теория – нейрондық кодтау механизмі ретінде қызмет ететін жоғары мамандандырылған нейрондардың болуы. Көру жүйесінде мұндай жасушалар көбінесе "әже жасушалары" деп аталады, себебі олар өте нақты жағдайларда ғана жауап береді – мысалы, адам әжесінің суретіне қарағанда. Нейробиологтар кейбір нейрондардың басқаларына қарағанда жақсы ақпарат беретінін анықтады, және мұндай сарапшы нейрондардың популяциясы сигнал мен шу арақатынамын жақсартады. Дегенмен, ансамбльді кодтаудың негізгі принципі сақталады: үлкен нейрондық популяциялар жеке нейрондардан жақсы жұмыс істейді. Нақты нейрондық жиынтықтың пайда болуы ми қызметінің функционалдық элементтерін қамтамасыз етеді деп есептеледі, олар ақпаратты өңдеудің негізгі операцияларын орындайды (Fingelkurts An. A. және Fingelkurts Al. A., 2004; 2005). Нейрондық код немесе нейрондық ансамбльдердің "тілі" әлі толық түсініксіз. Қазіргі уақытта нейрондық код туралы екі негізгі теория бар. Жылдамдық кодтау теориясы жеке нейрондардың мінез-құлқына маңызды параметрлерді олардың орташа ату жылдамдығы арқылы кодтайтынын, ал нейрондық импульстардың нақты уақыты маңызды емес екенін айтады. Уақытша кодтау теориясы, керісінше, нейрондық импульстардың нақты уақыты маңызды кодтау механизмі екенін көрсетеді. Нейрондық осцилляциялар, ансамбльдегі нейрондардың белсенділігін синхрондауға көмектеседі, маңызды кодтау механизмі болып табылады. Мысалы, осцилляциялар визуалды ерекшеліктерді байланыстыруға қатысты деп саналады (Gray, Singer және басқалар). Сонымен қатар, ұйқы кезеңдері мен ояну ерекше осцилляторлық үлгілермен байланысты. Омыртқа миында салыстырмалы түрде қарапайым нейрондық ансамбльдер жұмыс істейді, онда олар моносинаптикалық созылу рефлексі және бұлшық еттердің өзара иннервациясы сияқты негізгі автоматизмдерді басқарады. (Manjarrez E et al. 2000. Мысықтағы арқалық мүйіздің нейрондарының спонтандық белсенділігі арқылы сегменттік афференттерден синаптық берілуді модуляциялау. J Physiol. 529 Pt 2 (Pt 2):445-60. doi: 10.1111/j.1469-7793.2000.00445.x) (Manjarrez E et al. 2002. Мысықтағы спонтандық белсенділігі бар арқалық мүйіздің нейрондарымен басқарылатын қабықшалық нейрондық ансамбльдер. Neurosci Lett. 318(3):145-8. doi: 10.1016/s0304-3940(01)02497-1). Бұларға оң және теріс нейрондар жатады. Омыртқа миында орналасқан орталық үлгілер генераторлары қозғалыс кезінде аяқ-қол қозғалысын үйлестіру үшін күрделі жиынтықтар болып табылады. Жоғары ми құрылымдарының нейрондық ансамбльдері бұл аймақтардың нейроанатомиясы туралы кең әдебиетке қарамастан, толық түсініксіз.

Нақты уақытпен декодтау

Көп электродты жазу әдістері енгізілгеннен кейін, үлкен нейрондық ансамбльдерден ақпаратты нақты уақытында декодтау міндеті мүмкін болды. Егер, Георгопулос көрсеткендей, бірнеше негізгі моторлық нейрон екі жазықтықта қол қозғалысын дәл болжаса, жеткілікті бір мезгілде тіркелген деректерді пайдаланып, бүкіл аяқтың қозғалысын қайта құруға болады. Сонымен қатар, DARPA-ның нейроғылымға жасаған зор қолдауымен бірнеше зертханалық топтар ми-машина интерфейстерін жасау үшін миллиондаған доллар жұмсады. Осы топтардың екеуі эксперименттерде жануарлардың сыртқы интерфейстерді жүйке белсенділігіне негізделген модельдер арқылы басқара алатынын, ал басқару қолдан ми моделіне ауысқаннан кейін жануарлар оны жақсырақ басқаруды үйрене алатынын көрсетті. Бұл екі топты Джон Донохью мен Мигель Николелис басқарады, және екеуі де әдістерін адамдармен сынауға дайындалып жатыр. Джон Донохью ми-машина интерфейстерін коммерцияландыруды жеңілдету үшін Cyberkinetics компаниясын құрды. Олар Ричард А. Норманнан Юта массивін сатып алды. Әріптестері Хатсопулос, Панински, Феллоус және Серруямен бірге, алғаш рет нейрондық ансамбльдерді сыртқы интерфейстерді басқару үшін пайдалануға болатынын көрсетті – маймыл компьютер экранындағы курсорды ойымен басқару арқылы (2002). Мигель Николелис Джон Чапин, Йохан Вессберг, Марк Лаубах, Хосе Кармена, Михаил Лебедев және басқа әріптестерімен бірге жұмыс істеді. Бұл жұмыс қол қозғалысының ниеттерін оқып, оларды жасанды иеленушілердің қозғалысына аударатын электрондық құрылғыларды жасауға мүмкіндік берді. Кармена және басқалар (2003) ми-машина интерфейсінде нейрондық кодтауды бағдарламалап, маймылға робот қолмен жетіп, ұстап алу қозғалыстарын басқаруға мүмкіндік берді, ал Лебедев және басқалар (2005) ми желілерінің жануардың өз аяқ-қолдарының бейнесіне қоса, робот қосымшасының жаңа бейнесін құру үшін қайта ұйымдасатынын дәлелдеді. Николелис пен Донохьюдың зерттеулерінен басқа, Эндрю Шварц пен Ричард Андерсеннің топтары нейрондық ансамбльдің белсенділігінен мінез-құлық параметрлерін қайта құруға мүмкіндік беретін декодтау алгоритмдерін әзірлеп жатыр. Мысалы, Эндрю Шварц бұрын Апостолос Георгопулоспен бірге жасаған популяциялық векторлық алгоритмдерді қолданады. Нейрондық ансамбльдің белсенділігін декодтаудың демонстрацияларын екі негізгі классқа бөлуге болады: желіден тыс декодтау және желіде (нақты уақытта) декодтау. Желіден тыс декодтауда зерттеушілер бұрын жазылған деректерге әртүрлі алгоритмдерді қолданады. Бұл зерттеулерде уақыт шектеулері әдетте маңызды емес: күрделі декодтау алгоритмі 10 минуттық деректерді қайта құру үшін компьютер кластерінде көптеген сағат бойы жұмыс істей алады. Желідегі алгоритмдер мінез-құлық параметрлерін нақты уақытта декодтайды (және, маңыздысы, болжайды). Сонымен қатар, субъект декодтау нәтижелері туралы кері байланыс ала алады – бұл жабық цикл режимі деп аталады, ол ашық цикл режимінен өзгеше, онда субъект ешқандай кері байланыс алмайды. Хебб болжағандай, популяциядағы жеке нейрондар әртүрлі параметрлер туралы ақпарат бере алады. Мысалы, Мигель Николелис және оның әріптестері маймылдар қол созу және ұстап алу қозғалыстарын орындағанда, жеке нейрондар бір мезгілде қолдың орналасуын, жылдамдығын және қол ұстап алу күшін кодтағанын хабарлады. Михаил Лебедев, Стивен Уайз және олардың әріптестері маймылдар бір мезгілде назар аударған және қысқа мерзімді есте сақтауда сақтаған кеңістіктік орындарды кодтаған префронтальді қабықшадағы нейрондарды хабарлады. Осы нейрондарды популяция ретінде қарастырғанда, назар аударған және есте қалған орындарды декодтауға болады. Популяциялық белсенділіктен нақты оқу алу үшін қанша нейрон қажет деген сұраққа жауап беру үшін Николелис зертханасындағы Марк Лаубах нейронды түсіру талдауын қолданды. Бұл талдауда ол нейрондық оқу сапасын популяциядағы нейрондар санының функциясы ретінде өлшеді. Оқу сапасы нейрондар санымен бірге артты – бастапқыда өте айқын, бірақ кейін оқуды жақсарту үшін әлдеқайда көп нейрондар қажет болды. Луис Каррильо Рид және оның әріптестері ансамбльдегі екі нейронның сыртқы белсендірілуі бүкіл ансамбльдің резонанстық белсендірілуін тудыратынын және сезімтал тітіркендіргіштің болмауында ансамбльге байланысты мінез-құлық реакциясын тудыратынын көрсетті.