Введение
Вычислительная нейробиология (также известная как теоретическая нейробиология или математическая нейробиология) – это раздел нейробиологии, использующий математику, информатику, теоретический анализ и абстракции мозга для понимания принципов, управляющих развитием, структурой, физиологией и когнитивными способностями нервной системы. Вычислительная нейробиология применяет вычислительные симуляции для проверки и решения математических моделей и поэтому может рассматриваться как подраздел теоретической нейробиологии; однако эти два направления часто являются синонимами. Термин «математическая нейробиология» также иногда используется для подчеркивания количественного характера этой области. Вычислительная нейробиология фокусируется на описании биологически правдоподобных нейронов (и нейронных систем) и их физиологии и динамики, и поэтому не связана напрямую с биологически нереалистичными моделями, используемыми в коннекционизме, теории управления, кибернетике, количественной психологии, машинном обучении, искусственных нейронных сетях, искусственном интеллекте и теории вычислительного обучения; хотя взаимное влияние существует, и иногда между этими областями нет четких границ, поскольку степень абстракции модели в вычислительной нейробиологии зависит от масштаба исследования и уровня детализации анализа биологических объектов. Модели в теоретической нейробиологии направлены на выявление ключевых особенностей биологической системы на различных пространственно-временных масштабах – от мембранных токов и химического взаимодействия через сетевые колебания, колончатую и топографическую архитектуру, ядра, и вплоть до психологических функций, таких как память, обучение и поведение. Эти вычислительные модели формулируют гипотезы, которые могут быть непосредственно проверены биологическими или психологическими экспериментами.
Computational neuroscience (also known as theoretical neuroscience or mathematical neuroscience) is a branch of neuroscience which employs mathematics, computer science, theoretical analysis and abstractions of the brain to understand the principles that govern the development, structure, physiology and cognitive abilities of the nervous system. Computational neuroscience employs computational simulations to validate and solve mathematical models, and so can be seen as a sub field of theoretical neuroscience; however, the two fields are often synonymous. The term mathematical neuroscience is also used sometimes, to stress the quantitative nature of the field. Computational neuroscience focuses on the description of biologically plausible neurons (and neural systems) and their physiology and dynamics, and it is therefore not directly concerned with biologically unrealistic models used in connectionism, control theory, cybernetics, quantitative psychology, machine learning, artificial neural networks, artificial intelligence and computational learning theory;
although mutual inspiration exists and sometimes there is no strict limit between fields, with model abstraction in computational neuroscience depending on research scope and the granularity at which biological entities are analyzed. Models in theoretical neuroscience are aimed at capturing the essential features of the biological system at multiple spatial temporal scales, from membrane currents, and chemical coupling via network oscillations, columnar and topographic architecture, nuclei, all the way up to psychological faculties like memory, learning and behavior. These computational models frame hypotheses that can be directly tested by biological or psychological experiments.
История
Термин «вычислительная нейробиология» был введен Эриком Л. Шварцем, который организовал конференцию, проведенную в 1985 году в Кармеле, Калифорния, по просьбе Фонда развития систем, чтобы представить обзор текущего состояния области, которая до этого момента именовалась различными терминами, такими как нейронное моделирование, теория мозга и нейронные сети. Материалы этой определяющей конференции были опубликованы в 1990 году в книге «Вычислительная нейробиология». Первая из ежегодных открытых международных встреч, посвященных вычислительной нейробиологии, была организована Джеймсом М. Боуэром и Джоном Миллером в Сан-Франциско, Калифорния, в 1989 году. Первая образовательная программа для аспирантов по вычислительной нейронауке была организована как программа Ph.D. по вычислительным и нейронным системам в Калифорнийском технологическом институте в 1985 году. Ранние исторические корни этой области можно проследить в работах Луи Лапика, Ходжкина и Хаксли, Губеля и Визеля, а также Дэвида Марра. Лапик представил модель «интегрируй и выстрели» нейрона в основополагающей статье, опубликованной в 1907 году – модель, до сих пор популярная в исследованиях искусственных нейронных сетей благодаря своей простоте (см. недавний обзор). Около 40 лет спустя Ходжкин и Хаксли разработали вольтаж-зажим и создали первую биофизическую модель потенциала действия. Губель и Визель обнаружили, что нейроны в первичной зрительной коре, первой коре, обрабатывающей информацию, поступающую из сетчатки, имеют ориентированные рецептивные поля и организованы в колонки. Работа Дэвида Марра была сосредоточена на взаимодействиях между нейронами, предлагая вычислительные подходы к изучению того, как функциональные группы нейронов в гиппокампе и неокортексе взаимодействуют, хранят, обрабатывают и передают информацию. Вычислительное моделирование биофизически реалистичных нейронов и дендритов началось с работы Уилфрида Ралла, с первой мультикомпартаментной модели, использующей теорию кабеля.
Основные темы
Исследования в вычислительной нейробиологии можно условно разделить на несколько направлений. Большинство вычислительных нейробиологов тесно сотрудничают с экспериментаторами, анализируя новые данные и разрабатывая новые модели биологических явлений.
Моделирование одного нейрона
Даже один нейрон обладает сложными биофизическими характеристиками и способен выполнять вычисления (например). Оригинальная модель Ходжкина и Хаксли использовала только два чувствительных к напряжению тока (вольт-зависимые ионные каналы – это молекулы гликопротеина, пронизывающие липидный бислой и позволяющие ионам перемещаться через аксолемму при определенных условиях), быстродействующий натриевый и калиевый ток с внутренним выпрямлением. Несмотря на успешное предсказание времени и качественных характеристик потенциала действия, она не смогла предсказать ряд важных особенностей, таких как адаптация и шунтирование. Современные ученые полагают, что существует большое разнообразие токов, чувствительных к напряжению, и изучение различной динамики, модуляции и чувствительности этих токов является важной задачей вычислительной нейробиологии. Также активно исследуются вычислительные функции сложных дендритов. Существует обширная литература, посвященная взаимодействию различных токов с геометрическими свойствами нейронов. Доступно множество программных пакетов, таких как GENESIS и NEURON, позволяющих быстро и систематически проводить in silico моделирование реалистичных нейронов. Проект Blue Brain, основанный Генри Маркрамом из École Polytechnique Fédérale de Lausanne, направлен на создание биофизически детализированной симуляции кортикального столбика на суперкомпьютере Blue Gene. Моделирование богатства биофизических свойств на уровне отдельного нейрона может предоставить механизмы, служащие строительными блоками для динамики сети. Однако детальное описание нейронов требует значительных вычислительных ресурсов, что может ограничивать проведение реалистичных исследований сетей, требующих моделирования большого числа нейронов. В результате исследователи, изучающие большие нейронные цепи, обычно используют искусственно упрощенные модели для представления каждого нейрона и синапса, игнорируя значительную часть биологических деталей. Поэтому существует стремление к разработке упрощенных моделей нейронов, способных сохранять существенную биологическую достоверность при минимальных вычислительных затратах. Разработаны алгоритмы для создания точных, быстродействующих упрощенных суррогатных моделей нейронов на основе ресурсоемких детальных моделей.
Моделирование взаимодействий нейрон-глиа
Глиальные клетки существенно участвуют в регуляции нейронной активности как на клеточном, так и на сетевом уровне. Моделирование этого взаимодействия позволяет уточнить цикл калия, имеющий ключевое значение для поддержания гомеостаза и предотвращения эпилептических приступов. Моделирование выявляет роль глиальных выростов, которые в некоторых случаях могут проникать в синаптическую щель, вмешиваясь в синаптическую передачу и тем самым контролируя синаптическую коммуникацию.
Развитие, аксональное моделирование и ориентация
Компьютерная нейробиология ставит целью ответить на широкий спектр вопросов, в том числе: как формируются аксоны и дендриты в процессе развития? Как аксоны определяют свои цели и достигают их? Как нейроны мигрируют в нужное положение в центральной и периферической нервной системе? Как образуются синапсы? Мы знаем из молекулярной биологии, что различные части нервной системы выделяют различные химические сигналы – от факторов роста до гормонов, которые модулируют и влияют на рост и развитие функциональных связей между нейронами. Теоретические исследования формирования и организации синаптических связей и морфологии пока находятся на ранней стадии. Одна из гипотез, получивших в последнее время внимание, – гипотеза минимальной проводки, которая предполагает, что формирование аксонов и дендритов эффективно минимизирует затраты ресурсов при сохранении максимального объема хранения информации.
Сенсорная обработка
Ранние модели сенсорной обработки, рассматриваемые в рамках теоретической концепции, связывают с именем Гораса Барлоу. Подобно гипотезе о минимальном количестве связей, описанной в предыдущем разделе, Барлоу понимал обработку в ранних сенсорных системах как форму эффективного кодирования, при которой нейроны кодируют информацию, минимизируя число импульсов. Последующие экспериментальные и вычислительные исследования подтвердили эту гипотезу в различных формах. В случае зрительной обработки эффективное кодирование проявляется в виде эффективного пространственного кодирования, цветового кодирования, кодирования времени/движения, стереокодирования и их комбинаций. Однако, даже эффективно закодированная зрительная информация, продвигаясь по зрительному пути, оказывается избыточной для пропускной способности информационного "узкого места" – узкого места зрительного внимания. Впоследствии была разработана теория V1 Saliency Hypothesis (V1SH), основанная на экзогенном внимательном отборе части зрительного ввода для дальнейшей обработки, управляемом картой выделения снизу вверх в первичной зрительной коре. Современные исследования в области сенсорной обработки разделяются между биофизическим моделированием различных подсистем и более теоретическим моделированием восприятия. Современные модели восприятия предполагают, что мозг осуществляет своего рода байесовский вывод и интеграцию различных сенсорных данных при формировании нашего восприятия физического мира.
forms of efficient spatial coding, color coding, temporal/motion coding, stereo coding, and combinations of them. Further along the visual pathway, even the efficiently coded visual information is too much for the capacity of the information bottleneck, the visual attentional bottleneck. A subsequent theory, V1 Saliency Hypothesis (V1SH), has been developed on exogenous attentional selection of a fraction of visual input for further processing, guided by a bottom up saliency map in the primary visual cortex. Current research in sensory processing is divided among a biophysical modelling of different subsystems and a more theoretical modelling of perception. Current models of perception have suggested that the brain performs some form of Bayesian inference and integration of different sensory information in generating our perception of the physical world.
Управление двигателем
Разработано множество моделей, описывающих, как мозг управляет движением. Это включает в себя модели обработки информации в мозге, такие как роль мозжечка в коррекции ошибок, обучение двигательным навыкам в моторной коре и базальных ганглиях, или управление вестибулоокулярным рефлексом. Также существует множество нормативных моделей, например, байесовские или модели оптимального управления, основанные на идее, что мозг эффективно решает стоящие перед ним задачи.
Память и синаптическая пластичность
Ранние модели памяти в основном основаны на постулатах хеббианского обучения. Биологически релевантные модели, такие как сеть Хопфилда, были разработаны для изучения свойств ассоциативной (также известной как "память с произвольным доступом по содержанию") памяти, наблюдаемой в биологических системах. Эти попытки в основном сосредоточены на формировании памяти средней и долгой продолжительности, локализующейся в гиппокампе. Одной из основных проблем нейрофизиологической памяти является то, как она поддерживается и изменяется на различных временных масштабах. Нестабильные синапсы легко поддаются обучению, но также подвержены стохастическим возмущениям. Стабильные синапсы труднее забыть, но их сложнее консолидировать. Вероятно, в ближайшие десятилетия вычислительные инструменты внесут значительный вклад в наше понимание функционирования и изменений синапсов в ответ на внешние стимулы.
Поведение сетей
Биологические нейроны соединены друг с другом сложным и рекуррентным образом. Эти связи, в отличие от большинства искусственных нейронных сетей, разрежены и обычно специфичны. Неизвестно, каким образом информация передается в таких слабосвязанных сетях, хотя некоторые области мозга, такие как зрительная кора, изучены достаточно подробно. Также неясно, какова вычислительная роль этих специфических паттернов связности, если таковая имеется. Взаимодействия нейронов в небольшой сети часто можно упростить до простых моделей, таких как модель Изинга. Статистическая механика таких простых систем хорошо изучена теоретически. Некоторые недавние данные позволяют предположить, что динамику произвольных нейронных сетей можно свести к попарным взаимодействиям. Однако пока не установлено, наделяют ли такие описательные динамические процессы какими-либо важными вычислительными функциями. С развитием двухфотонной микроскопии и кальциевой визуализации у нас появились мощные экспериментальные методы для проверки новых теорий, касающихся нейронных сетей. В некоторых случаях сложные взаимодействия между тормозными и возбуждающими нейронами можно упростить, используя теорию среднего поля, что приводит к популяционной модели нейронных сетей. В то время как многие нейротеоретики предпочитают такие модели с пониженной сложностью, другие утверждают, что выявление структурно-функциональных связей зависит от включения максимально возможного количества нейронной и сетевой структуры. Модели этого типа обычно создаются на крупных платформах моделирования, таких как GENESIS или NEURON. Предпринимались некоторые попытки разработать унифицированные методы, объединяющие и интегрирующие эти уровни сложности.
Визуальное внимание, идентификация и категоризация
Визуальное внимание можно описать как совокупность механизмов, ограничивающих обработку определенным подмножеством поступающих стимулов. Механизмы внимания формируют то, что мы видим и с чем можем взаимодействовать. Они обеспечивают одновременный отбор некоторой (предпочтительно, релевантной) информации и подавление другой. Для получения более четкого представления о механизмах, лежащих в основе зрительного внимания и объединения признаков, было предложено несколько вычислительных моделей, направленных на объяснение психофизических данных. В целом, все модели постулируют существование карты выделенности или приоритета для регистрации потенциально интересных областей входного сигнала сетчатки и механизма фильтрации для уменьшения объема поступающей визуальной информации, чтобы ограниченные вычислительные ресурсы мозга могли с ней справиться. Примером теории, интенсивно тестируемой в поведенческих и физиологических исследованиях, является гипотеза выделенности V1, согласно которой карта выделенности, формируемая снизу вверх, создается в первичной зрительной коре для экзогенного управления вниманием. Мозг, по-видимому, способен особенно хорошо различать и адаптироваться в определенных контекстах. Например, люди обладают огромной способностью запоминать и узнавать лица. Одной из ключевых задач вычислительной нейробиологии является изучение того, как биологические системы эффективно выполняют эти сложные вычисления и, возможно, воспроизводят эти процессы при создании интеллектуальных машин. Крупномасштабные организационные принципы мозга проясняются благодаря множеству областей, включая биологию, психологию и клиническую практику. Интегративная нейробиология стремится объединить эти наблюдения посредством унифицированных описательных моделей и баз данных поведенческих измерений и записей, которые служат основой для количественного моделирования крупномасштабной мозговой активности. Вычислительное репрезентативное понимание разума (CRUM) – это еще одна попытка моделирования человеческого познания посредством имитационных процессов, таких как усвоенные системы, основанные на правилах, при принятии решений и манипулирование визуальными представлениями в процессе принятия решений.
Сознание
Одна из главных целей психологии и нейронауки — объяснить повседневный опыт сознательной жизни. Фрэнсис Крик, Джулио Тонони и Кристоф Кох предприняли попытки сформулировать непротиворечивые теоретические основы для дальнейших исследований нейронных коррелятов сознания (НКС), однако значительная часть работ в этой области остаётся гипотетической.
Вычислительная клиническая нейробиология
Вычислительная клиническая нейробиология – это область, объединяющая специалистов в области нейробиологии, неврологии, психиатрии, теории принятия решений и вычислительного моделирования для количественного определения и изучения проблем, возникающих при неврологических и психиатрических заболеваниях, а также для подготовки ученых и клиницистов, желающих применять эти модели в диагностике и лечении.
Прогнозирующая вычислительная нейробиология
Предсказательная вычислительная нейробиология – это новое направление, объединяющее обработку сигналов, нейробиологию, клинические данные и машинное обучение для предсказания состояния мозга во время комы или анестезии. Например, можно предвидеть глубокие состояния мозга, используя сигнал ЭЭГ. Эти состояния могут быть использованы для прогнозирования необходимой гипнотической концентрации для введения пациенту.
Компьютерная психиатрия
Компьютерная психиатрия – это новая, развивающаяся область, объединяющая специалистов в области машинного обучения, нейронауки, неврологии, психиатрии и психологии для понимания психических расстройств.
Нейроморфные вычисления
Нейроморфный компьютер/чип – это любое устройство, использующее физические искусственные нейроны (изготовленные из кремния) для выполнения вычислений (см.: нейроморфные вычисления, физическая нейронная сеть). Одним из преимуществ использования такого физического компьютера-модели является то, что он берет на себя вычислительную нагрузку процессора (в том смысле, что структурные и некоторые функциональные элементы не требуют программирования, поскольку реализованы аппаратно). В последнее время нейроморфные технологии применяются для создания суперкомпьютеров, используемых в международных коллаборациях в области нейронаук. Примерами служат суперкомпьютер SpiNNaker проекта «Человеческий мозг» и компьютер BrainScaleS.
Конференции
Компьютерная и системная нейробиология (COSYNE) – конференция по вычислительной нейробиологии с акцентом на системную нейробиологию. Ежегодное собрание по вычислительной нейробиологии (CNS) – ежегодная конференция по вычислительной нейробиологии. Нейронные информационные системы (NIPS) – ведущая ежегодная конференция, посвященная преимущественно машинному обучению. Когнитивная вычислительная нейробиология (CCN) – конференция по вычислительной нейробиологии, фокусирующаяся на вычислительных моделях, способных решать когнитивные задачи. Международная конференция по когнитивной нейродинамике (ICCN) – ежегодная конференция. UK Mathematical Neurosciences Meeting – ежегодная конференция, посвященная математическим аспектам. Bernstein Conference on Computational Neuroscience (BCCN) – ежегодная конференция по вычислительной нейробиологии. AREADNE Conferences – двухлетняя конференция, представляющая теоретические и экспериментальные результаты.