Источники вариаций динамических свойств
advertisement
4C УДК [007:572.788].001.57 А.В. Савельев Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа, Россия gmkristo@mail.ru Источники вариаций динамических свойств нервной системы на синаптическом уровне в нейрокомпьютинге* В работе решается задача попытки восполнения практического отсутствия в настоящее время связующего звена между исследованиями в области нейрокомпьютинга и нейробиологических наук. Проведено детальное изучение реальной биологической нервной ткани на предмет выявления морфофункциональных нейробиологических и нейрохимических источников вариаций динамических свойств нервной системы на уровне синаптической передачи. Приводятся фрагменты полученных результатов индентификационных исследований, а также возможное влияние и применение их в методологии построения новых нейромоделей нейронов и нейросетей, защищённых патентами на изобретения. Методология точных наук открыла (по словам И.М. Сеченова) и продолжает открывать новый взгляд на природу и функционирование биообъектов, дополняющий и расширяющий биологические подходы. Примитивные модели нейрона 60-летней давности (Мак-Каллока – Питса), используемые повсеместно вплоть до настоящего времени в нейрокомпьютинге, не учитывают какие-либо индивидуальные различия нейронов и их свойств. Это не позволяет, на наш взгляд, получить даже скольконибудь минимальное приближение к свойствам биологической нервной ткани, в том числе и, особенно, на уровне нейросетей. Вместе с тем источники этих индивидуальных вариаций реальных нейронов чрезвычайно многообразны и широкодиапазонны. Помимо этого игнорирование динамических свойств нейронных элементов и их вариаций может вообще сформировать ошибочные представления в нейрокомпьютинге о функциях нейронов и нейросетей. Нами была поставлена и решена задача определения и разработки способов моделирования морфофункциональных источников индивидуальных различий в динамических свойствах синаптической передачи, а также решена в классической постановке задача идентификации динамических свойств моносинаптического возбуждения и торможения различных типов живых нейронов млекопитающих, в том числе человека. Необходимо отметить, что не только такая задача ранее не решалась, но также отсутствовали какие-либо сравнительные исследования моносинаптических вызванных постсинаптических потенциалов (ВПСП) одного нейрона и тем более различных нейронов. Интенсивное изучение синаптической передачи происходило в 60 – 70-е годы ХХ века, когда были получены ставшие классическими результаты Дж. Экклза, Б. Катца, К. Учизоно, С. Куффлера, Е. Эдриана, К. Лукаса, А.Л. Ходжкина, Хаксли, И. Тасаки, А. и Н. Такеучи. Возможности техники микроэлектродных исследований * Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 04-06-80460) и РГНФ (грант № 04-03-00066а). «Штучний інтелект» 4’2006 323 Савельев А.В. 4С и регистрации внутриклеточных потенциалов и токов были значительно более ограниченными, чем в настоящее время, поэтому для исследований выбирался материал, наиболее адекватно соответствующий уровню развития техники микроэлектродных исследований. В частности, большинство экспериментов по изучению синаптической передачи было выполнено на препаратах концевой пластинки нервно-мышечного соединения. Как известно [1], моторный аксон мотонейрона оканчивается большим количеством коллатералей, которые образуют множество контактов со специализированным участком нервно-мышечного волокна – моторной концевой пластинкой (рис. 1). Многократность дублирования синаптических элементов объясняется как значительно повышенной степенью надёжности такого контакта, так и специфическими функциональными свойствами, обеспечивающими управление мышечными элементами. В связи с этим раздражение приводящего нервного волокна аксона будет всегда вызывать не моносинаптическое, а полисинаптическое воздействие, а регистрирующий электрод, введённый в концевую пластинку, будет принимать суммарные ВПСП от многих синапсов. Рисунок 1 – Структура препарата концевой пластинки, на котором, как правило, исследуется электрическое синаптическое проведение [2] Вместе с тем известна даже морфологическая корреляция конфигурации синаптических медиаторных везикул с типом синапса, по всей видимости, связанная с динамическими свойствами синаптической передачи. Так, например, синапсы, располагающиеся на шипиках дендритов пирамидных нейронов головного мозга, всегда являются синапсами типа 1 по Грэю, в то время как синапсы на телах пирамидных нейронов неокортекса – всегда типа 2 по Грэю. Морфологически синаптическая щель у синапсов типа 1 шире (0,3 нм), чем у синапсов типа 2 (0,2 нм), кроме того, у синапсов типа 1 утолщение постсинаптической мембраны более резко выражено и участки уплотнения (активные зоны) значительно больше, чем у синапсов типа 2. Так же установлено, что ацетилхолинэстераза (АХЭ) выявляется только в синапсах типа 1. Синапсы типа 2 устойчиво выявляются на сомах клеток Пуркинье мозжечка, как известно, иннервированных исключительно тормозящими волокнами – аксонами корзинчатых клеток, которые также являются тормозящими. В то же время соматические синапсы клеток Пуркинье мозжечка содержат только уплощённые и удлинённые везикулы, обозначаемые как F-типа (рис. 2). 324 «Искусственный интеллект» 4’2006 Источники вариаций динамических свойств нервной системы… 4С Рисунок 2 – На микрофотографии показан F-синапс, расположенный на поверхности клетки Пуркинье, содержащий агрегат из мембранных структур. Видно, что F-везикулы отпочковываются от концов этих структур. Стрелкой показано слияние F-везикулы с пресинаптической мембраной (фото К. Учизоно) Также синаптосомы, окружающие пирамидные нейроны гиппокампа, содержат F-везикулы и образованы аксонами корзинчатых клеток. Синаптосомы позвоночных, кроме того, могут структурно подразделяться на два типа А и В по виду строения постсинаптических мембран. Синаптосомы типа А подобны синапсам типа 1 по Грэю и характеризуются прерывистыми парамембранными уплотнениями, а типа В – подобны синапсам типа 2 по Грэю с непрерывными постсинаптическими рецепторными элементами (рис. 3). Поскольку постсинаптические участки, непосредственно прилегающие к синаптической мембране в месте её активности, содержат рецепторы к медиатору, заключённому в везикулах синапса, строение их (непрерывность, либо прерывистость) может существенным образом влиять на динамические свойства синаптической передачи. Поскольку подобие морфологии постсинаптической везикулярной решётки (открытой K. Akert в 1967 г. на синаптосомах позвоночных [2]) распространяется далее с выстраиванием уплотнений синаптической щели соответственно ячейкам везикулярной решётки (рис. 3) и у синаптосом типа А распространяется также на строение рецепторов постсинаптической мембраны, можно заключить, что типы А и В являются стадиями [3], [4] процесса изменения синаптосом при их функционировании. Вполне возможно, что эти стадии связаны с морфологическими коррелятами памяти, тем более, что синаптосомы типы В (рис. 3) выделены из интактной коры головного мозга, а типа А – из коры целого головного мозга. «Штучний інтелект» 4’2006 325 4С Савельев А.В. Рисунок 3 – Вверху показана пресинаптическая везикулярная решётка (Akert). Отличительные признаки строения синапсов интактной коры головного мозга, тип Б (а) и область контакта синаптосом, выделенных из коры мозга, тип А (б) (Jones, Brearley). Обозначения: усщ – уплотнения синаптической щели, пв – плотные выступы, но – наружная оболочка синаптических мембран, с – пресинаптическая сеть, шс – шестиугольное строение сети в виде тяжей, псфу – постсинаптические фокальные уплотнения, пу – постсинаптическое утолщение. Материал фиксирован в глутаральдегиде и контрастирован ФВК Соответственно этому, при наличии таких конформационных перестроек, отличающихся в существенной степени друг от друга, можно предположить наличие у них определяемых различий в динамических свойствах синаптической передачи при преобразовании входных пресинаптических спайков в ВПСП. Различие везикулярной формы для F- и S-синапсов также, по-видимому, способствует нарушению симметрии динамических свойств торможения и возбуждения на синаптическом уровне. Эллипсовидность либо шарообразность синаптических медиаторных везикул (рис. 4) может определять как различия и в характере перемещения их во внутрисинаптическом пространстве во время мембранного цикла и экзоцитоза, что влияет на динамику прямого высвобождения медиатора, так и влияние на неё через свойства накопления медиатора. Различия формы молекулярного химического строения вещества тормозящего и возбуждающего медиаторов не значительны по сравнению с пространственными характеристиками синапса, синаптической щели и постсинаптической мембраны, а потому вклад, вносимый ими в нарушение симметрии динамики торможения и возбуждения, пренебрежимо мал. Различия же в форме синаптических везикул ощутимо сравнимы с перечисленными элементами, и 326 «Искусственный интеллект» 4’2006 Источники вариаций динамических свойств нервной системы… 4С потому можно утверждать, что именно они вносят основной вклад в отличия динамических свойств F- и S-синапсов. Рисунок 4 – Основные типы синапсов: 1 – S-типа, 2 – С-типа (медиаторы – ацетилхолин и катехоламины соответственно), 3 – F-типа (ГАМК или глицин), P-типа (пуринэргический) Наряду с F- и S-синапсами следует отметить существование синапсов с электронноплотными везикулами, так называемыми С-типа (Cored) и P-типа (пуринэргический) (рис. 4). Медиаторами в них являются соответственно катехоламины и пурин. Хорошо известно, что тормозящий медиатор в сердце – это ацетилхолин, а возбуждающий – адреналин или норадреналин, которые связаны с электронноплотными везикулами, часто обнаруживаемыми в автономной нервной системе. Это отличие хорошо можно наблюдать при сравнении динамики развития суммарной деполяризации в случае отведения потенциалов из внутренней зоны ритмоводящей области сердца, содержащей С-синапсы. С- и P-типы синапсов с электронноплотным содержимым и прозрачными оболочками отличаются от S- и F-синапсов не только типом содержащегося в них медиатора, не только морфологически, но и функционально. Дело в том, что механизм выделения медиатора у таких везикул отличается от механизма экзоцитоза S- и F- везикул. При выделении содержимого C- и P- везикул происходит как бы процесс обратного пиноцитоза (рис. 5). Рисунок 5 – Механизм выделения везикул с электронноплотной сердцевиной. Стрелки указывают на контакт электронноплотной сердцевины с мембраной везикулы (De Iraldi, Suburo) «Штучний інтелект» 4’2006 327 4С Савельев А.В. При этом внеклеточные ионы Ca2+ участвуют в механизмах, которые способствуют повышению вероятности выделения квантов медиатора [5]. Благодаря Ca2+ осуществляется также выделение катехоламинов из клеток мозгового слоя надпочечников. Деполяризация клеток надпочечников, происходящая под действием ацетилхолина (АХ), сопровождается накоплением внутри клеток кальция. При этом Ca2+ вызывает не только выделение катехоламинов, но и АТФ, хромогланина, растворимых белков и т.д. Было показано [6], что кальциезависимое выделение катехоламинов из отдельных гранул происходит без АХ, который служит лишь для осуществления деполяризации клеточной мембраны, способствуя поступлению Ca2+ в цитоплазму. Всё это свидетельствует об обратнопиноцитозном механизме плотных везикул С-типа, что означает существенное отличие его динамических свойств от механизма высвобождения медиаторов из синапсов F- и S-типа. По всей видимости, выделение медиатора из пуринэргических синапсов P-типа подобно C-синапсам качественно в динамическом отношении и может отличаться от них лишь по количественным параметрам. Иногда, правда, можно наблюдать сочетание везикул различных типов в одном синапсе. Так, например, в синапсе С-типа наряду с электронноплотными везикулами обнаруживается небольшое число сферических гранул S-типа (рис. 6). Такие комбинированные сочетания довольно часто встречаются как в автономной, так и в центральной нервной системе и также влияют на различия в динамическом характере высвобождения медиатора. Имеются даже данные о сочетании в одном синапсе (например, taenia coli мыши, рис. 6) всех четырёх типов везикул. Burnstock [7] предположил, что это пуринэргический синапс (АТФ, АДФ и др.), обладающий тормозящей функцией. Рисунок 6 – Пуринэргический синапс, обладающий тормозящими функциями (Burnstock). БГВ – большие гранулярные везикулы, М – митохондрии, Мт – микротубулы, СВ – сферические везикулы 328 «Искусственный интеллект» 4’2006 Источники вариаций динамических свойств нервной системы… 4С Начальное расположение везикул в синапсе в отсутствие афферентных сигналов также может отражаться в характере динамики синаптической передачи. В этом случае ожидать существенного влияния можно от какого-либо особенного расположения везикул, как например, на рис. 7, где видна кристаллоподобная упорядоченность синаптических везикул. Такие структуры нередко встречаются, например, в S-синапсах гипоталамо-гипофизарной системы. Рисунок 7 – Упорядоченность синаптических везикул S-типа гипоталамо-гипофизарной системы (K. Uchizono) В смысле влияния на индивидуальные динамические особенности экзоцитоза можно отметить характер структурной организации внутреннего объёма синапсов. Это может касаться как специфичности расположения везикулярных гранул, так и наличия дополнительных микрофиламентов, структурирующих внутренний объём синапса. В большинстве случаев везикулярная масса образует диффузно-распределённую по объёму синапса картину, более или менее упорядочивающим фактором является собственно место синаптического контакта – пресинаптическая мембрана. В подавляющем большинстве синапсов при отсутствии дегенеративных процессов по мере приближения к ней обнаруживается нарастание плотности заполнения внутреннего объёма синаптическими везикулами. Это особенно хорошо выражено у часто активируемых синапсов. Кроме этого, можно встретить чётко выраженные кристаллоидные структуры упаковки везикул, особенно при достаточно большом их количестве в синапсе (рис. 7). Нередко такие структуры наблюдаются в гипоталамогипофизарной системе млекопитающих, безотносительно к частоте активации синапса. Можно предположить, что такая организация медиаторного аппарата довольно существенным образом сказывается на динамических свойствах экзоцитоза. «Штучний інтелект» 4’2006 329 4С Савельев А.В. Кроме того, внутри синаптического аппарата часто встречаются гранулы гликогена, которые также могут быть диффузно распределены по объёму синапса или скапливаться в каких-либо его местах, или образовывать довольно упорядоченные структуры – гликогеновые конгломераты (рис. 8), иногда даже окружённые единичным мембранным липидным слоем. Также гликогеновые агрегаты были хорошо описаны в цитоплазме В-нейронов спинальных ганглиев [8]. Распределение гликогена в нервной системе неоднородно, например в мотонейронах спинного мозга его содержится много, в то время как в ретикулярных нейронах он совсем отсутствует, так же, как и фосфорилаза, что указывает на невозможность в данном случае синтезированния гликогена этими нейронами. В то же время на поверхности ретикулярных нейронов, обработанных методом А.Л. Шабадаша, часто определялись скопления гликогена, напоминающие синаптические окончания, полученные импрегнацией серебра по Дейнеке. Сходство гранул гликогена с синапсами объясняется тем, что эти гранулы являются гликогеновыми конгломератами, имеющими внутрисинаптическую локализацию. Синапсы на ретикулярных нейронах относятся к различным аксонным системам, в связи с чем можно сделать вывод, что функционирует только часть из них, поскольку гликоген синтезируется в неработающих в данный момент синаптических окончаниях. Принято считать, что гликогеновые накопления обусловливают значительную метаболическую автономность синаптических окончаний [9]. Особенно чётко такая автономность обнаруживается при нарушении по тем или иным причинам аксональной связи претерминальных волокон с синаптическими окончаниями, например, ввиду реактивной или травматической блокады проведения спайков по аксону, стаз сосудов и т.д. Н.С. Косицин и, независимо, Б. Катц предположили, что обеспечение автономной работы синапсов в отсутствии притока пресинаптической импульсации за счёт генерации микропотенциалов позволяет синапсу сохранять своё место на мембране иннервируемого нейрона. Однако нам представляется вторичность этой функции автономности синапсов, которая сама по себе, как и возможность автономности, служит для обеспечения, прежде всего, информационной надёжности синаптических контактов [10]. Возможность автономной работы синапсов может являться, по сути дела, тем самым субстратом памяти на синаптическом уровне, обеспечивает которую, прежде всего, накопление совершенно определённых и соответствующих запасов гликогена, опосредуя тем самым её информационные свойства энергетическими. Таким образом, запоминание осуществляется не непосредственно сигнально, а косвенно, в виде возможности работы определённых синапсов автономно, то есть поддерживая, прежде всего, информационную организацию. Механизм памяти может быть не информационно-сигнальным, как это принято представлять сейчас [11]. Происходит не запоминание самого сигнала или комбинации сигналов, являющихся носителем информации, а запоминание способности синапса к генерации подобных сигналов самостоятельно и автономно, за счёт обеспечения их определённым энергетическим потенциалом, в том числе путём накопления гликогена. Следовательно, такой механизм запоминания можно назвать энергетически-потенциальным (ЭП) в отличие от информационно-сигнального, несомненно, тоже присутствующего в нервной системе, но ошибочно считающегося единственным на сегодняшний день. К компонентам ЭП-механизма запоминания в части обеспечения автономности работы синапсов можно отнести также пиноцитозный транспорт веществ, макромолекул липидно-белкового происхождения 330 «Искусственный интеллект» 4’2006 Источники вариаций динамических свойств нервной системы… 4С и т.д., динамика потоков которых, входящих в синапс, также может существенным образом отражаться на динамических характеристиках преобразования пресинаптических спайков в ПСП. Рисунок 8 – Запасы гликогена в ретикулярной формации 1: 66000 (фото Н.С. Косицина) На динамические свойства синаптической передачи большое влияние могут оказывать параметры мембранного цикла и изменения этих параметров – реактивные, метаболические или сигнальные. В мембранный цикл входят процессы до и после собственно выделения медиатора из везикул, то есть процессы образования везикул и утилизации их пустых мембранных оболочек. Синаптические везикулы образуются в нервных окончаниях из фрагментирующихся нейротубул аксоплазмы (рис. 9), что впервые было показано DeRobertis и Franchi в 1956 г. После присоединения к пресинаптической мембране, встраивания в неё и раскрытия в постсинаптическую щель происходит выделение медиатора в пространстве щели. Рисунок 9 – Схема мембранного цикла в синапсе. I – экзоцитоз, II – перемещение оболочек встроенных везикул, III – включение везикулярного компонента в структуру цитосети (Heuser, Reese) «Штучний інтелект» 4’2006 331 4С Савельев А.В. Встроенная опорожнённая везикула, включённая, таким образом, в состав мембраны терминали, после чего смещается из области активной зоны синапса к неактивному участку. Далее, под действием присоединения мембраны цитосети к этим участкам, поисходит впячивание данного участка и образование комбинации гладкостенных везикул, покрытых шестиугольной цитосетью. После этого происходит отпочковывание комбинационного образования от внутренней поверхности неактивной части синаптической мембраны и транспорт его к интрасинаптическим тубулярным структурам. При этом везикулы теряют свою цитосетевую оболочку, возобновляя сетевой цикл, формируя собой цитосеть и перемещаясь по направлению к периферии в неактивной части синаптической мембраны к появляющимся участкам встроенных в неё опорожнённых везикул (рис. 9). Каждый этап мембранного цикла можно наблюдать в эксперименте моделирующего изменения метаболизма в нервной терминали [12]. С помощью пероксидазы хрена (ПК) A.W. Clark [13], J.E. Heuser с соавторами и B. Ceccarelli с соавторами было впервые изучено поведение везикул, покрытых цитосетевой оболочкой. После инкубации нервномышечного препарата с ПХ в условиях с высокой концентрацией KCl, благоприятных для выделения АХ, препарат фиксировали через различные периоды времени инкубации для электронно-микроскопического исследования. При короткой инкубации количество синаптических везикул в объёме синапса уменьшено, но обнаруживается их увеличение в области мембраны в непосредственной близости к синаптической щели и увеличение ПХ в везикулярном комплексе вокруг синаптической щели. При длительной инкубации ПХ присутствует в синаптических везикулах и цистернах, что происходит путём пиноцитоза. Применение ядов (паука – Clark et al. [13]) снижает количество везикул, вызывая одновременно увеличение впячиваний в пресинаптической мембране, увеличивая тем самым её протяжённость в этих местах. Завершает механизм синаптической передачи инактивация выделенного медиатора, которая осуществляется одновременно несколькими путями, а также различными способами у медиаторов различных типов. Инактивация медиатора, непосредственно связанная с мембранным циклом, осуществляется непосредственным обратным поступлением выделившегося медиатора в пресинаптическое окончание, что характерно, в частности, для катехоламинов. Выделенные катехоламины очень быстро абсорбируются впячиваниями неактивной части пресинаптической мембраны при отпочковывании из неё новых, образующихся, везикул в мембранном цикле. ГАМК инактивируется при участии температурно и натрийзависимого механизма обратного входа медиатора против значительных градиентов [14]. Кроме этого, существуют ещё два механизма инактивации, встречающиеся наряду с первым одновременно в различных комбинациях, либо по отдельности. Выделенный из пресинаптической терминали медиатор, как правило, сразу же расщепляется гидролизом с помощью ферментов, что происходит во многих холинэргических синапсах. В случае АХ это может быть эзерин и тетраэтилпирофосфат. В нервномышечном соединении ацетилхолинэстераза локализуется непосредственно у концевой пластинки. Terävänen впервые было ясно показано, что фермент располагается в пресинаптической части, а Lewis и Shute показали, что он может располагаться непосредственно в синаптической щели. Наконец, инактивация 332 «Искусственный интеллект» 4’2006 Источники вариаций динамических свойств нервной системы… 4С практически всех типов медиаторов осуществляется также диффузией его из синаптической щели во внеклеточное пространство. Что касается восстановления запасов медиатора, то основным механизмом, помимо описанного, является его синтез непосредственно в синаптических окончаниях. Для АХ был показан Fonnum его синтез в цитоплазме из холина, поступающего через мембрану терминали. Whittaker и Sheridan установили, что концентрация АХ в везикуле равна не менее 200 мМ, а в цитоплазме – не более 3 мМ (Marchbanks), что доказывает аккумулирующую роль везикул. Высокая концентрация АХ была обнаружена Whittaker в электрическом органе электрического ската, имеющего исключительно холинэргическую иннервацию, более чем в 15 раз превосходящую концентрацию АХ в коре головного мозга млекопитающих. Везикулы содержат, как правило, не более четырёх основных белковых компонентов: три в мембране и четвёртый (50 % от общего количества белка) – в содержимом везикулы (везикулин, имеющий вес порядка 1000). Этот везикулин-нуклеотидный комплекс полностью заполняет везикулы. В них содержится также большое количество АТФ и АМФ, молярный же коэффициент отношения АХ к АТФ варьирует в диапазоне от 4:1 до 80:1. Синтез АХ происходит с помощью холинацетилазы при непрерывном притоке холина и глюкозы, подробно исследован Бёрксом и Мак-Интошем и описан в литературе [15]. Помимо непосредственного синтеза в синапсах и циклического использования выделяющегося медиатора, АХ может поступать в синаптические окончания из самих аксонов. Выяснено, что кроме квантового выделения АХ может выделяться без генерации ВПСП или даже мВПСП. Известно, что в самих холинэргических нервных волокнах содержится большое количество АХ и холинацетилтрансферазы. Hebb с соавторами показали, что 38 % общего количества АХ, содержащегося в нервно-диафрагмальном препарате диафрагмального нерва, содержится не в нервных терминалях, а во внутримышечных участках нерва и миелинизированных участках нервных терминалей. В изолированных нервах в ответ на стимуляцию АХ может выделяться из перерезанных концов и, вообще, из места повреждения, расположенного в любой части нерва. В экспериментах были представлены результаты изучения выделения АХ до и после отравления ботулиновым токсином, в связи с чем он пришёл к выводу о том, что всё ещё продолжающий выделяться даже после отравления АХ поступает из самих нервных волокон, а не из терминалей. Повышенная концентрация K+ в омывающем растворе также вызывает значительное увеличение выделения АХ в опытах на диафрагмальном препарате in vitro, при этом частота мПКП может возрастать в 500 раз [16]. В результате исследований, проведенных автором частично в Ростовском институте нейрокибернетики им. А.Б. Когана в 1985 – 1986 гг., были определены динамические характеристики синаптической передачи α-мотонейронов поясничного отдела спинного мозга кошки, нейронов Пуркинье мозжечка крысы и пирамидных нейронов неокортекса крысы и человека. Были определены области вариаций структурно-коррелированных динамических параметров синаптической передачи, что позволило проводить сравнительные исследования. На основе этого нами было предложено существенно модифицировать модель формального нейрона МакКаллока – Питса, используемую повсеместно для организации нейросетей и в нейровычислениях [17], в результате чего был построен ряд нейромоделей, «Штучний інтелект» 4’2006 333 Савельев А.В. 4С учитывающих и использующих в процессинге нейровычислений особенности динамических свойств реальных нейросистем [18-21]. Предложенная модель [22] (а.с. 1329449, рис. 10) не только воспроизводила реальные динамические свойства синаптической передачи, в отличие от известных [23], [24], но и вносила обнаруженную нами существенную асимметрию в динамических свойствах возбуждения и торможения, присутствующую в любом реальном нейроне. Это могло бы дать возможность при небольшом увеличении аппаратных затрат значительно повысить интеллектуальные свойства искусственных нейронных сетей (ИНС), а также использовать в имитационно-моделирующих системах типа «Нейроимитатор» или MathLab. Рисунок 10 – Формальный нейрон Мак-Каллока – Питса (А) и модель нейрона (В) по а.с. 1329449 [22]. Состоит из блоков 1 и 2 моделирования возбуждающих и тормозящих синапсов, содержащих согласующие элементы 3, входы которых служат возбуждающими 4 и тормозящими 5 входами, масштабирующие элементы 6 и элементы 7 задержки, первый аддитивный сумматор 8, первое динамическое звено 9, реализующее модель ВПСП, второй аддитивный сумматор 10, второе динамическое звено 11, реализующее модель ТПСП, сумматор 12, элемент 13 сравнения, блок 14 формирования порогового значения, формирователь 15 импульсов, 16 – пороговый элемент, 17 – преобразователь уровня в частоту На возбуждающие входы 4 блоков 1 моделирования возбуждающих синапсов поступают входные сигналы типа спайка – импульсы напряжения прямоугольной формы, проходят через согласующие элементы 3, масштабирующие элементы 6, изменяя амплитуду в соответствии со значениями сопротивлений последних, и через элементы 7 задержки поступают на вход первого аддитивного сумматора 8, в котором происходит их пространственно-амплитудное суммирование, а суммарный сигнал поступает на вход первого динамического звена 9, формирующего ВПСП. Динамическое звено 9 имеет передаточную функцию We = k e 334 (τ 1 s + 1)(τ 2 s + 1) (τ 3 s + 1)(τ 4 s + 1)(τ 5 s + 1) (1) «Искусственный интеллект» 4’2006 Источники вариаций динамических свойств нервной системы… 4С и осуществляет преобразование амплитудно-суммированных последовательностей входных сигналов возбуждения, предварительно обработанных блоком 1 и сумматором 8 в возбуждающие постсинаптические потенциалы. Динамическое звено 9 обладает инерционностью, параметры которой определяются параметрами передаточной функции (1), соответствующей возбуждающим ацетилхолиновым синапсам реального мотонейрона; осуществляет накопление полученных возбуждающих постсинаптических потенциалов и их временное суммирование, в результате чего выходной сигнал звена 9 пропорционален частоте сигналов с сумматора 8, то есть частоте входных импульсных последовательностей с учетом количества активируемых возбуждающих входов 4, величины статических весовых коэффициентов передачи возбуждающих синапсов, определяемых величиной сопротивлений масштабирующих элементов 6, а также фазово-временных характеристик входных последовательностей. На тормозящие входы 5 блоков 2 моделирования тормозящих синапсов поступают входные сигналы типа спайка – импульсы напряжения прямоугольной формы, инвертирующие относительно возбуждающих входных сигналов на входах 4, проходят через согласующие элементы 3, масштабирующие элементы 6, изменяя амплитуду в соответствии со значениями сопротивлений последних, и через элементы задержки 7 поступают на вход второго аддитивного сумматора 10, в котором происходит их пространственно-амплитудное суммирование, а суммарный сигнал поступает на вход второго динамического звена 11, формирующего тормозящие постсинаптические потенциалы. Динамическое звено 11 имеет передаточную функцию типа Wi ( s ) = k i (1 + T1 s − T2 s 2 )(T3 s + 1) (T4 s + 1)(T5 s + 1)(T6 s + 1)(T7 s + 1) (2) и осуществляет преобразование амплитудно-суммированных последовательностей входных тормозящих сигналов, предварительно обработанных блоком 2 и конденсатором 20 в тормозящие постсинаптические потенциалы (ТПСП). Динамические характеристики этого звена и полученные на выходе ТПСП определяются передаточной функцией (2), соответствующей тормозящим ацетилхолиновым синапсам реального нейрона двигательных центров высших позвоночных, и имеют качественное отличие от характеристик возбуждающих постсинаптических потенциалов (рис. 11). За счет инерционности сигнал на выходе звена пропорционален частоте входных тормозящих импульсных последовательностей, поступающих на тормозящие входы устройства. Рисунок 11 – Временные динамические характеристики ВПСП и ТПСП, полученные на нейромодели [22] «Штучний інтелект» 4’2006 335 Савельев А.В. 4С Полученные таким образом ВПСП и ТПСП подаются на входы сумматора 12, где происходит их алгебраическое (с учетом знака) амплитудное суммирование. С выхода сумматора 12 суммарный сигнал поступает на элемент 13 сравнения, в котором происходит сравнение их мгновенной амплитуды с пороговым значением. Сигнал с элемента сравнения поступает на вход блока 14 формирования порогового значения, устанавливающего пороговое значение срабатывания элемента 13 сравнения, а также на формирователь 15 импульсов, вырабатывающий выходные импульсы типа спайка. Если мгновенное значение выходного сигнала не превышает величины порога элемента 13 сравнения, задаваемого блоком 14, разностный сигнал на выходе элемента 13 сравнения отсутствует, что не вызывает генерации импульсов формирователем 15 и устанавливает с помощью блока 14 величину порога на минимальный уровень. Таким образом, напряжение на выходе формирователя 15 равно нулю. Как только мгновенное значение с выхода сумматора 12 превысит минимальный порог элемента 13 сравнения, на выходе элемента 13 сравнения появляется разностный сигнал, который, поступая на формирователь 15, вызывает генерацию импульса. Параметры выходного импульса (амплитуда, форма, длительность) определяются параметрами формирователя и подбираются так, чтобы импульс максимально соответствовал спайку реального нейрона. Одновременно разностный сигнал с элемента 13 поступает на вход блока 14, который устанавливает пороговое значение на максимальный уровень, а затем постепенно снижает его до минимального уровня. Это обеспечивает обрабатывание входного сигнала устройства для моделирования нейрона как частотно-модулированного, что повышает помехоустойчивость передачи информации в нейронной сети, сформированной из предлагаемых устройств для моделирования нейрона. В качестве примера произведена идентификация ВПСП и ТПСП (моносинаптических) мотонейронов поясничного отдела спинного мозга кошки (см. временные диаграммы на рис. 11). При этом получены следующие значения коэффициентов передаточных функций (1) и (2) для мотонейрона икроножной мышцы кошки (табл. 1). Таблица 1 Коэффициент τ1 τ2 τ3 τ4 τ5 Звено 9 ВПСП 0,53 2,9 1,5 2,2 3,39 Коэффициент T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 Звено 11 ТПСП 0,42 –0,13 2,9 1,0 1,9 0,12 3,39 Коэффициенты ke и ki передаточных функций (1) и (2) определяются индивидуально для каждого синапса и задаются величинами масштабирующих элементов 6 (рис. 10). В рассмотренном примере для афферентных волокон группы IA рассмотренного мотонейрона коэффициенты ke = 0,39, ki = 0,112. 336 «Искусственный интеллект» 4’2006 Источники вариаций динамических свойств нервной системы… 4С Такое раздельное представление преобразований входных возбуждающих и тормозящих импульсных сигналов в ВПСП и ТПСП по двум независимым каналам позволяет воспроизводить реакции нервной клетки на изменение частоты возбуждающих и тормозящих входных сигналов с заданной динамической точностью [24]. Так как в реальном нейроне эти реакции на изменение частоты входных сигналов носят принципиально различный характер для возбуждающих и тормозящих сигналов, а известные нейромодели обрабатывают как возбуждающие, так и тормозящие сигналы с одинаковой динамикой, то предложенный нейропроцессор обладает значительно более высокой динамической точностью [25]. При этом воспроизведение динамических механизмов является интегральным на уровне интрасинаптических явлений и индивидуальным на межсинаптическом уровне. Литература 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. Yoshida N. Functional Neuromuscular Stimulation for articular angle control with an Inverse Dynamics Model tuned by a neural network // Ergonomics. – 2002. – Jul 15. – Vol. 45 (9). – Р. 649-662. Akert K., Phenninger K., Sandri C. The fine structure of synapses in the subfornical organ of the cat // Z. Zellforsch. – 1967. – Vol. 81. – Р. 537-556. Савельев А.В. Образование упорядоченных структур в синаптической щели электрического синапса // Журнал проблем эволюции открытых систем. – 2003. – Т. 1, вып. 5. – С. 152-156. Савельев А.В. О роли электрических синапсов в нервной ткани. Модель первого уровня // Нейроинформатика и ее применение. – Красноярск, 2002. – С. 116-119. Cooke J.D., Okamoto K., Quastel J. The role of calcium in depolarization-secretion coupling at the motor nerve terminals // Physiol. – 1973. – Vol. 228. – Р. 459-497. Phillippu A., Schumann H.J. Der Einfluss von Calciun und die Brenzca techinaminefreisetzung // Experientia. – 1962. – Vol. 18. – S. 138-140. Burnstock G., Cambell G., Satchell D., Smythe A. Evidence that ATP or a related nucleotide is the transmitter substance released by non-adrenergic inhibitory nerves in the gut // British Journal of Pharmacology. – 1970. – Vol. 40. – Р. 668-688. Berthold C.H. Ultrastructural appearance of glycogen in the B-neurons of the lumbar spinal ganglia of the frog // Ultrastrusture Researches. – 1966. – Vol. 14. – Р. 254-267. Косицин Н.С. Эндогенная неспецифическая потенциация синапса при действии экстремальных факторов // Материалы XIV Международной конференции ICNC-05 по нейрокибернетике. – Ростов-на-Дону. – 2005. – С. 252-253. Савельев А.В. Концептуальная морфодинамическая пластичность дендритных синапсов в нейрокомпьютерных моделях // Материалы XIII Всероссийского семинара «Нейроинформатика и ее приложения». – Красноярск: Институт вычислительного моделирования СО РАН. – 2005. – С. 95-98. Савельев А.В. Онтологическое расширение теории функциональных систем // Журнал проблем эволюции открытых систем. – 2005. – № 2(8). – С. 101-110. Савельев А.В. На пути к общей теории нейросетей. К вопросу о сложности // Нейрокомпьютеры: разработка и применение. – 2006. – № 4-5. – С. 4-14. Clark A.W., Hurlbut W.P., Mauro A. Changes in the fine structure of the neuromuscular junction of the frog caused by black widow spider venom // Cell Biology. – 1972. – Vol. 52. – Р. 1-14. Heitler W.J., Watson A.H., Falconer S.W., Powell B. Glutamate is a transmitter that mediates inhibition at the rectifying electrical motor giant synapse in the crayfish // Comp. Neurol. – 2001. – Jan. 29, 430(1). – Р. 12-26. Bennett M.V. Electrical synapses, a personal perspective (or history) // Brain Res. Brain Res. Rev. – 2000. – Apr. – Vol. 32 (1). – Р. 16-28. Watanabe O., Idesawa M. Computational model for neural representation of multiple disparities // Neural Networks. – 2003. – № 16. «Штучний інтелект» 4’2006 337 4С Савельев А.В. 17. Хайкин С. Нейронные сети. – М.; СПб.; Киев: Изд. дом «Вильямс», 2006. 18. А.с. № 1292494. Устройство для моделирования нейрона / Савельев А.В., 1987. 19. А.с. № 1515938. Устройство для моделирования системы возвратного торможения мотонейронов клетками Реншоу / Ильясов Б.Г., Кабальнов Ю.С., Савельев А.В., Валиева Н.Э., 1989. 20. А.с. № 1645973. Устройство для моделирования нейрона / Савельев А.В., Савельева Н.А., Колесников А.А., Жуков А.Г., БИ № 16, 1991. 21. А.с. № 1497626. Устройство для моделирования нейрона Пуркинье / Межецкая Т.А., Савельева Н.А., Савельев А.В., Колесников А.А., БИ № 18, 1989. 22. А.с. № 1329449. Устройство для моделирования нейрона / Межецкая Т.А., Савельева Н.А., Савельев А.В., Колесников А.А., 1987. 23. Ikeda K. A synfire chain in layered coincidence detectors with random synaptic delays // Neural Networks. – 2003. – № 16. 24. Савельев А.В. Динамические модели нервной системы: идентификация и принципы организации нейросетей // Материалы ХI Всероссийского семинара «Нейроинформатика и ее приложения». – Красноярск: Институт вычислительного моделирования СО РАН. – 2003. – С. 140-142. 25. Savelyev A.V. Neuronic logic // Paper in CSIT’2003 Proceedings. – Ufa: USATU. – 2003. – Vol. 3. – Р. 57-64. О.В. Савельєв Джерела варіацій динамічних властивостей нервової системи на синаптичному рівні в нейрокомп’ютингу У роботі розв’язується задача спроби заповнення практичної відсутності на теперішній час сполучної ланки між дослідженнями в галузі нейрокомп’ютингу та нейробіологічних наук. Проведене детальне вивчення реальної біологічної нервової тканини на предмет виявлення морфофункціональних нейробіологічних і нейрохімічних джерел варіації динамічних властивостей нервової системи на рівні синаптичної передачі. Наводяться фрагменти отриманих результатів ідентифікаційних досліджень, а також можливий вплив і застосування їх в методології побудови нових нейромоделей нейронів і нейромереж, захищених патентами на винаходи. A.V. Savelyev The Sources of Dynamic Properties Variations of Nervous System at a Level Synaptic Transmitting in Neurocomputing In the article the problem of supplying attempt of practical absence now links between researches in field of neurocomputing and neurobiological sciences is decided. The detailed study of a substantial biological nervous tissue on the theme of revealing morpho-function neurobiological and neurochemical sources of dynamic properties variations of nervous system at a level synaptic transmitting is carried out. The fragments of obtained results of identificational researches, and also possible influence and application them in methodology of construction new neuromodels of neurons and neural networks, protected by the patents, are resulted. Статья поступила в редакцию 29.06.2006. 338 «Искусственный интеллект» 4’2006
