Кіріспе

ғылыми журнал
Зерттеу саласы
Нейроинформатика – информатика мен нейроғылымдарды біріктіретін жаңа ғылыми сала. Нейроинформатика нейроғылымдық деректерді және жасанды нейрондық желілер арқылы ақпаратты өңдеуді зерттейді. Нейроинформатиканы қолданудың үш негізгі бағыты бар:
жүйке жүйесі мен нейрондық процестердің есептеу модельдерін жасау;
нейроғылымдық деректерді талдау және модельдеуге арналған құралдарды жасау; және
барлық деңгейдегі талдау үшін нейроғылымдық деректерді басқару және бөлісуге арналған құралдар мен деректер базаларын жасау. Нейроинформатика философияны (ойдың есептеу теориясы), психологияны (ақпаратты өңдеу теориясы), компьютерлік ғылымды (табиғи есептеу, биошабыттандырылған есептеу) және басқа да ғылымдарды қамтиды. Нейроинформатика материямен немесе энергиямен айналыспайды, сондықтан оны жүйке жүйесінің әртүрлі аспектілерін зерттейтін нейробиологияның бір саласы деп қарастыруға болады. Нейроинформатика термині когнитивтік информатикамен синоним ретінде қолданылады, оны «Journal of Biomedical Informatics» журналы адам ақпаратын өңдеуге, механизмдер мен процестерге, сондай-ақ есептеу және есептеу қолданбалары контекстіндегі салааралық сала ретінде сипаттайды. Герман ұлттық кітапханасы бойынша, нейроинформатика нейрокомпьютингпен бірдей. Когнитивтік информатика және когнитивтік есептеулер жөніндегі 10-шы IEEE халықаралық конференциясында келесі сипаттама ұсынылды: Когнитивтік информатика (КИ) – компьютерлік ғылым, ақпараттық ғылым, когнитивтік ғылым және интеллект ғылымының салааралық зерттеуі. КИ мидың және табиғи интеллекттің ішкі ақпаратты өңдеу механизмдері мен процестерін, сондай-ақ олардың когнитивтік есептеудегі инженерлік қолданбаларын зерттейді. INCF мәлімдемесіне сәйкес, нейроинформатика – есептеу модельдерімен бірге нейроғылымдық деректер мен білім базаларын дамытуға бағытталған зерттеу саласы.

Нейрокомпьютерлік модельдер

Нейрологиялық есептеу модельдері – биологиялық жүйке жүйелеріндегі немесе олардың функционалдық компоненттеріндегі ақпаратты өңдеудің негізгі принциптерін абстрактілі және математикалық тұрғыда түсіндіруге жасалған әрекеттер. Жүйке жүйесі мінез-құлқының күрделілігіне байланысты, осыған қатысты эксперименттік қателік шектері нақты анықталмаған. Алайда, белгілі бір ішкі жүйенің әртүрлі модельдерінің салыстырмалы тиімділігі олардың нақты әлемдегі мінез-құлқыны қаншалықты дәл қайталайтынына немесе нақты кіріс сигналдарына қаншалықты жауап беретініне қарай бағалануы мүмкін. Нейроэтологияның осымен байланысты саласында модельге ортаны мұндай етіп қосуға болады, арқасында жүйе жабық цикл құрайды. Егер бәсекелес модельдер болмаса немесе тек жалпы жауаптар өлшенген немесе сандық түрде анықталған болса, нақты формулировкаланған модель ғалымға биохимиялық механизмдерді немесе желілік байланыстарды зерттеуге бағытталған эксперименттерді жоспарлауға көмектеседі.

Жасанды нейрондық желілер

Жасанды нейрондық желілер (ЖНЖ), көбінесе жай ғана нейрондық желілер (ЖНЖ) деп аталады, – жануарлар миын құрайтын биологиялық нейрондық желілерден шабыттанған есептеу жүйелері. ЖНЖ жасанды нейрондар деп аталатын байланысқан бірліктер немесе түйіндер жиынтығынан тұрады, олар биологиялық мидағы нейрондарды шамамен моделейді. Әрбір байланыс, биологиялық мидағы синапстар сияқты, басқа нейрондарға сигнал жіберуге қабілетті. Сигнал алған жасанды нейрон оны өңдеп, өзіне қосылған нейрондарға сигнал жібереді. Қолбайлаудағы "сигнал" – нақты сан, ал әр нейронның шығысы кірістерінің қосындысының сызықтық емес функциясы арқылы есептеледі. Бұл байланыстар жиектер деп аталады. Нейрондар мен жиектер әдетте салмаққа ие, ол оқу процесінде реттеледі. Салмақ байланыстағы сигналдың күшін арттыра немесе азайта алады. Нейрондарда белгілі бір шегі болуы мүмкін, сондықтан сигнал тек жиынтық сигнал осы шектен асқанда ғана жіберіледі. Нейрондар көбінесе қабаттарға біріктіріледі. Әртүрлі қабаттар өз кірістеріне қатысты әртүрлі түрлендірулерді орындай алады. Сигналдар бірінші қабаттан (кіріс қабатынан) соңғы қабатқа (шығыс қабатына) бірнеше рет қабаттар арқылы өтеді.

Ми эмуляциясы және ми жүктеуі

Ми эмуляциясы – мидың немесе мидың бір бөлігінің жұмыс істейтін есептеу моделін жасау және оның эмуляциясы. 2006 жылдың желтоқсан айында Blue Brain жобасы егеуқұйрықтың неокортикальді бағанасын симуляциялауды аяқтады. Неокортикальді бағана – неокортекстің ең кішкентай функционалдық бірлігі. Неокортекс – мидың саналы ойлау сияқты жоғары деңгейдегі функцияларына жауапты деп саналатын бөлігі, және тышқан миында 10 000 нейрон (және 10⁸ синапс) бар. 2007 жылдың қарашасында жобаның бірінші кезеңі аяқталғаны туралы хабарланды, ол неокортикальді бағананы құру, тексеру және зерттеу үшін деректерге негізделген процесті ұсынды. 2007 жылы Невада университетінің зерттеу тобы IBM Blue Gene суперкомпьютерінде "ешкінің миының жартысына жуық мөлшерде және күрделілікте" сипатталған жасанды нейрондық желіні іске қосты. Симуляциялық уақыттың әр секундына компьютер уақытының он секунды жұмсалды. Зерттеушілер виртуалды қабықта "биологиялық тұрғыдан сәйкес келетін" жүйке импульстарын байқағанын мәлімдеді. Алайда, симуляцияда нақты егеуқұйрық миындағы құрылымдар болмады, сондықтан олар нейрон мен синапстың модельдерінің дәлдігін жақсартуға ниетті. Ақыл жүктеу – бұл мидың физикалық құрылымын психикалық күйдің эмуляциясын (ұзақ мерзімді жад пен "өзіндік сананы" қоса алғанда) жасауға жеткілікті дәлдікпен сканерлеу және оны компьютерге цифрлық нысанда көшіру процесі. Компьютер мидың ақпаратты өңдеуін симуляциялайды, нәтижесінде ол бастапқы ми сияқты жауап береді және сезімтал сананы сезіну тәжірибесін басынан өткізеді. Қолдаушылардың пікірінше, ақыл жүктеуді жүзеге асыруға қажетті көптеген құралдар мен идеялар қазірдің өзінде бар немесе белсенді түрде дамытылуда; алайда, олар кейбіреулері әлі де болжамдық екенін мойындайды, бірақ олар инженерлік мүмкіндіктер шеңберінде екенін айтады.

Ми-компьютер интерфейсі

Ми-компьютер интерфейсін зерттеу 1970 жылдары Калифорния университетінде, Лос-Анджелесте Ұлттық ғылым қорының гранты бойынша, кейіннен DARPA келісімшартымен басталды. Осы зерттеулерден кейін жарияланған мақалалар ғылыми әдебиетте "ми-компьютер интерфейсі" терминінің алғаш рет қолданылғанын көрсетеді. Соңғы кезде, машиналық оқытуды қолдану арқылы адам-компьютер өзара әрекеттесуі саласындағы зерттеулер, мақсалық бөліктерден (фронталдық бөлік) алынған статистикалық уақытша ерекшеліктері бар EEG ми толқыны деректері психикалық күйлерді (сергек, бейтарап, шоғырланған), психикалық-эмоционалдық күйлерді (теріс, бейтарап, оң) және таламокортикалық дизритмияны жіктеуде жоғары нәтижелер көрсетті.

Ми картасы мен симуляциясы

Миды симуляциялау – мидың немесе оның бір бөлігінің жұмыс істейтін есептеу моделін жасау концепциясы. 2006 жылдың желтоқсан айында Blue Brain жобасы егеуқұйрықтың неокортикальді бағанасын симуляциялауды аяқтады. Неокортикальді бағана – неокортекстің ең кішкентай функционалдық бірлігі саналады. Неокортекс – мидың саналы ойлау сияқты жоғары деңгейдегі функциялар үшін жауапты деп есептелетін бөлігі, және егеуқұйрық миында 10 000 нейрон (және 10⁸ синапс) бар. 2007 жылдың қарашасында жобаның бірінші кезеңі аяқталғаны туралы хабарланды, ол неокортикальді бағананы құру, тексеру және зерттеу үшін деректерге негізделген процесті ұсынды. 2007 жылы Невада университетінің зерттеу тобы IBM Blue Gene суперкомпьютерінде "ешкінің миының жартысына жуық көлемдегі және күрделілігіндегі" жасанды нейрондық желіні іске қосты. Симуляцияланған уақыттың әр секундына компьютер уақытының он секунды жұмсалды. Зерттеушілер виртуалды қабықта "биологиялық тұрғыдан сәйкес" жүйке импульстарын байқағанын мәлімдеді. Дегенмен, симуляцияда нақты егеуқұйрық миындағы құрылымдар болмады, сондықтан олар нейрон және синапстың модельдерінің дәлдігін арттыруды жоспарлап отыр.

Ақыл-ой жүктеу

Ақыл жүктеу – мидың физикалық құрылымын оның психикалық күйін (ұзақ мерзімді жад пен "өзіндік санаты" қоса алғанда) эмуляциялай алатындай дәлдікпен сканерлеу және оны компьютерге цифрлық нысанда көшіру процесі. Компьютер мидың ақпаратты өңдеуін симуляциялап, бастапқы ми сияқты жауап беретін және саналы, сезімтал ойға ие болу тәжірибесін сезінетіндей жұмыс істейді. Осыған қатысты жануарлар миын карталау және симуляциялау, жоғары жылдамдықты суперкомпьютерлерді жасау, жасанды шындық, ми-компьютер интерфейстері, коннектомика және динамикалық түрде жұмыс істейтін милардан ақпарат алу салаларындағы маңызды зерттеулер жүргізілуде. Жақтастарының пікірінше, ақыл жүктеуді іске асыру үшін қажетті көптеген құралдар мен идеялар қазірдің өзінде бар немесе белсенді түрде дамытылуда; алайда, олар кейбіреулері әлі де болжамдық екенін мойындайды, бірақ олар инженерлік тұрғысынан мүмкін екенін айтады.

Деректерді талдау және білімді ұйымдастыру

Нейроинформатика (кітапхана ғылымы саласында) нейробиологиялық білімді есептеу модельдерімен және тәжірибелік деректерді бөлісу, интеграциялау және талдау үшін талдамалық құралдар арқылы дамытуға, сондай-ақ жүйке жүйесінің қызметі туралы теорияларды жетілдіруге арналған. INCF контекстінде бұл сала жүйке жүйесінің бастапқы тәжірибелік деректері, онтологиясы, метадеректер, талдау құралдары және есептеу модельдері туралы ғылыми ақпаратты қамтиды. Бастапқы деректерге геномдық, молекулалық, құрылымдық, жасушалық, желілік, жүйелік және мінез-құлық деңгейлеріндегі эксперименттер мен эксперименттік жағдайлар кіреді, бұл деректер барлық түрлерде және препараттарда, қалыпты және бұзылған күйлерде болады. Соңғы он жылда көптеген зерттеу топтары ми туралы мол және әртүрлі деректер жинағандықтан, одан әрі зерттеулер үшін тиімді құралдарды жасау мақсатында мыңдаған жарияланымнан алынған деректерді қалай интеграциялау мәселесі туындады. Биологиялық және нейробиологиялық деректер тығыз байланысты және күрделі болғандықтан, оларды интеграциялау ғалымдар үшін үлкен қиындықтар туғызады.

Тарих

АҚШ Ұлттық Психикалық Денсаулық Институты (NIMH), Ұлттық Есірткі Тұтыну Институты (NIDA) және Ұлттық Ғылым Қоры (NSF) Ұлттық Ғылым Академиясының Медицина Институтына ми зерттеулеріне есептеу техникасын енгізу қажеттілігін мұқият талдап зерттеу үшін қаржылай көмек көрсетті. 1991 жылы оң нәтижелер жарияланды. Бұл оң баяндама NIMH-қа, қазіргі кезде Аллан Лешнер басқаратын, «Адам Миы Жобасын» (HBP) құруға мүмкіндік берді, ал алғашқы гранттар 1993 жылы табысталды. Содан кейін Кослоу Еуропалық Одақ және Экономикалық Ынтымақтастық және Даму Ұйымы (ЭЫДҰ), Париж, Франция арқылы HPG және нейроинформатиканы жаһандануды ілгерілетуге тырысты. 1996 жылы екі маңызды мүмкіндік туды. Біріншісі – NSF-тен Мэри Кладтердің төрағалық еткен АҚШ/Еуропалық Комиссия Биотехнология жұмыс тобының құрылуы. Осы комитеттің құзыреті шегінде, Кослов мүше болған АҚШ-Еуропалық Комиссия Нейроинформатика комитеті құрылды, оған Кослов АҚШ-тан төрағалық етті. Бұл комитеттің нәтижесінде Еуропалық Комиссия 5-ші Бағдарлама аясында нейроинформатиканы қолдауды бастады және нейроинформатика саласындағы ғылыми-зерттеу және оқыту шараларын қолдауды жалғастыруда. Нейроинформатиканы жаһанданудың екінші мүмкіндігі ОЭСР-нің Mega Science Forum (MSF) қатысушы үкіметтерінен бүкіл әлемде ғылыми ынтымақтастық үшін жаңа ғылыми бастамалары бар-жоғын сұраған кезде пайда болды. Ақ үйдің Ғылым және Технология саясаты жөніндегі кеңсесі федералдық үкімет агенттіктерінен NIH-де жиналып, жаһандық пайдаға тиетін ынтымақтастыққа қажеттілік бар-жоғын анықтауды сұрады. NIH түрлі агенттіктерден түскен ұсыныстарды талқылаған бірқатар мәжілістер өткізді. АҚШ-тың MSF-қа ұсынған ұсынымы NSF және NIH ұсыныстарының үйлесімділігінен құралды. Джим Эдвардс NSF-тен биологиялық әртүрлілік саласындағы дерекқорларды және деректерді бөлісуді қолдады. Осы екі бастама біріктіріліп, АҚШ-тың «Биологиялық Информатика» жобасының ұсынысын құрады. Бұл бастаманы Ақ үйдің Ғылым және Технология саясаты жөніндегі кеңсесі қолдады және Эдвардс пен Кослов ОЭСР-нің MSF-да ұсынды. Биологиялық Информатика жөніндегі комитет құрылды, оның құрамында екі кіші комитет болды: 1. Биологиялық әртүрлілік (төрағасы, Джеймс Эдвардс, NSF) және 2. Нейроинформатика (төрағасы, Стивен Кослов, NIH). Екі жылдан кейін Биологиялық Жұмыс Тобының Нейроинформатика кіші комитеті жаһандық нейроинформатиканы қолдау туралы баяндама жариялады. Кослов NIH және Ақ үйдің Ғылым және Технология саясаты жөніндегі кеңсесімен бірлесіп, бірінші баяндаманың жалпы ұсыныстарын қолдау үшін нақты ұсыныстарды әзірлейтін жаңа Нейроинформатика жұмыс тобын құруға қатысты. Бұл ұсынысты ОЭСР-нің Ғылыми-зерттеулер жөніндегі Әлемдік Форумы (GSF; MSF-тан аталған атын өзгертті) қолдады.