Ученые разработали метод, который поможет просто и эффективно выявлять нарушения нервной системы. Они использовали искусственные нейронные сети для анализа сигналов электрической активности головного мозга. Результаты исследования опубликованы в журнале Chaos.

Исследование проходило в рамках гранта Президентской программы Российского научного фонда по поддержке лабораторий мирового уровня.

Искусственные нейронные сети — математические модели, построенные по принципу работы биологических нейронных сетей (нервной системы организма). Это мощный инструмент для обработки и классификации больших данных. Искусственные нейронные сети широко используют в компьютерных науках, робототехнике и нейробиологии для сортировки информации, прогнозирования, распознавания образов и других задач. В нейробиологии их применяют для изучения мозговой активности и в качестве вычислительного ядра в интерфейсах мозг — компьютер. Также с помощью таких сетей ученые могут отслеживать нейронные взаимодействия во время разных физиологических или мыслительных процессов.

В рамках своего исследования сотрудники Лаборатории нейронауки и когнитивных технологий Университета Иннополис использовали искусственную нейронную сеть прямого распространения. В такой сети данные проходят строго от входных нейронов, которые принимают информацию, к выходным. Авторы работы предложили концепцию подобной искусственной нейронной сети для определения взаимосвязей между областями головного мозга.

Сначала они проверили свой подход на математических моделях и подтвердили результаты предыдущих исследований. Затем ученые перешли к применению своего метода для изучения связей между корой головного мозга и отделом головного мозга, где происходит анализ, отбор и передача в кору сигналов, получаемых ото всех органов чувств, кроме обоняния, — таламусом. Нарушения связи между этими двумя частями мозга приводят к таким заболеваниям, как болезни Паркинсона и Альцгеймера.

В эксперименте участвовало шесть крыс, которым имплантировали электроды в кору головного мозга и таламус. Эксперименты по регистрации электрической активности в соответствующих отделах головного мозга начались через две недели после имплантации сенсоров. Ученые зафиксировали сигналы, полученные с помощью разработанного ими метода, и проанализировали их. Так авторам удалось обнаружить значительное усиление взаимодействия между корой и ядрами таламуса во время приступа эпилепсии по сравнению со спокойным состоянием.

Метод, разработанный исследователями из Университета Иннополис, не требует больших вычислительных затрат, что делает его весьма удобным в применении. Немаловажно и то, что предложенный способ использования искусственных нейронных сетей универсален — он эффективен в биологических, нейрофизиологических и других исследованиях. Удачное применение искусственных нейронных сетей с прямой связью позволяет ученым надеяться, что в дальнейшем им удастся расширить спектр их приложений, в том числе и в изучении патологий головного мозга.

Исследование проводилось совместно с учеными из института физиологии Мюнстерского университета (Германия).