КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-78-00010

НазваниеАссоциативное обучение в нейросетевых архитектурах головного мозга

РуководительУшаков Вадим Леонидович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2026 г. 

Конкурс№79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Объект инфраструктуры Центр нейрокогнитивных исследований (МЭГ-центр).

Область знания, основной код классификатора 08 - Гуманитарные и социальные науки, 08-552 - Психофизиология, психогенетика, сравнительная психология, зоопсихология, эволюционная психология

Ключевые словаассоциативное обучение, с-fos, МЭГ, фМРТ, нейросети, мозг

Код ГРНТИ15.21.35

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью данного проекта является исследование кодирования мозгом комплексных стимулов и сигналов, встречающихся в естественных ситуациях обучения и механизмам присвоения значимости стимулов. Компоненты комплексного сигнала могут быть представлены в мозге как набор из параллельно кодируемых признаков ситуации обучения, каждый из которых кодируется специализированными нейронами своей области коры головного мозга. Согласно другой гипотезе, различные компоненты комплексного сигнала связаны в единую нейрональную репрезентацию, нейроны которой интегрируют информацию о различных сенсорных атрибутах комплексного стимула. В проекте будет проведено межвидовое исследование механизмов формирования и извлечения ассоциативной памяти на комплексный сигнал (комбинация визуальных и звуковых стимулов) и принципов построения «когнитивных карт» в головном мозге человека и мыши. Используемая в комплексном сигнале мультимодальная информация является моделью сенсорных событий окружающей среды и интеграция мозгом мультимодальной информации о таких комплексных сигналах можно рассматривать как биологическую функцию самых ранних форм сознания. Уникальность данной работы в возможности исследования ассоциативного обучения на разных уровнях организации нейрональных групп. Проект базируется на использовании современных высокотехнологичных методов нейрокартирования – оптического клеточного нейроимиджинга для животных и нейросетевых методов магнитоэнцефалографии (МЭГ) и функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) для человека. Исследование на мышах направлено на оценку перекрытия популяций нейронов, активированных при извлечении ассоциативной памяти полным комплексным условным сигналом (КУС) и его компонентами. В ходе выполнения проекта будет получен ответ на вопрос, приводит ли ассоциативное обучение на КУС к появлению в мозге таких популяций нейронов, которые одинаково активируются при предъявлении КУС и его отдельных компонентов, а также выявлены конкретные области мозга, в которых это происходит. Методика КУС, адаптированная для нейросетевого исследования головного мозга человека, позволит на основе методов МЭГ и ультрабыстрой фМРТ получить пространственную-временную локализацию нейрональных ансамблей в головном мозге человека, связанных с кодированием мозгом комплексных стимулов и его компонент. В задачи проекта входит выявить в мозговой активности маркеры –пространственно-временные нейросетевые структуры, включающие закономерности коннективности между областями мозга на межвидовом уровне (мыши и человек) и межгрупповом уровне у испытуемых с разной эффективностью рабочей и долговременной памяти. Межвидовое сравнение позволит лучше понять принципы кодирования значимости, присваиваемой определенным стимулам и построение ментальных карт, что является актуальной проблемой, стоящей перед нейронаукой.

Ожидаемые результаты
Уникальность данной работы в межвидовом исследовании принципов кодирования мозгом комплексных стимулов на клеточном уровне (нейроны головного мозга мыши) и пространственной локализации нейрональных ансамблей в головном мозге человека на основе применения методов МЭГ и фМРТ, дающих хорошее сочетание временного и пространственного разрешений. В ходе выполнения проекта будет получен ответ на вопрос, приводит ли ассоциативное обучение на КУС к появлению в мозге таких популяций нейронов, которые одинаково активируются при предъявлении КУС и его отдельных компонентов, а также выявлены конкретные области мозга, в которых это происходит. Мы ожидаем, что такими областями мозга могут быть ассоциативные зоны неокортекса, в том числе париетальная ассоциативная кора. В таком случае, в этих структурах будет обнаружен высокий уровень перекрытия активированных популяций нейронов во всех исследуемых группах. При этом, в сенсорных областях неокортекса высокие уровень перекрытия будет наблюдаться только при повторном предъявлении одного и того же сенсорного стимула. Исследование ассоциативного обучения у человека предполагается провести на двух выборках испытуемых: контрольной и испытуемых с феноменальным объемом долговременной и рабочей памяти. Предполагается, что включение второй группы одаренных людей даст возможность более корректно идентифицировать механизмы работы и динамику формирования следов памяти. В работе будет частично использована новая инновационная экспериментальная методика, имитирующую усвоение смысла слов путем ассоциативного научения по типу «проб и ошибок» - подобную тому, как происходит научение при реальном погружении в незнакомую среду. Планируется с использованием зрительных и слуховых стимулов поставить серию экспериментов по выполнению задачи структурного вывода во время МЭГ/фМРТ, в которой испытуемым нужно сделать вывод о правильных последовательных отношениях (переходах), при условии, что полная структура последовательности стимулов не показано, а предъявляется только часть последовательности в режиме свободного просмотра. Данная задача позволит визуализировать пространственно-временные паттерны активности нейросетей головного мозга в процессах реорганизации сформированной ассоциативной памяти на часть стимулов в еще более сложную структурированную ментальную карту. Исследование будет выполнено на уникальном высокотехнологичном оборудовании и с применением продвинутых математических алгоритмов обработки данных. Таким образом, проект будет выполнен на высоком научном уровне, соответствующем уровню лучших лабораторий в мире. Новизна и инновационность проекта заключается прежде всего в том, что впервые будет применена методика, позволяющая в лабораторных условиях воспроизвести процесс быстрого усвоения человеком смысла новых мультимодальных стимулов в пределах непрерывной экспериментальной сессии, имитирующей естественные мультисенсорные события окружающей среды. Наш подход может принести новые знания о центральном элементе работы головного мозга – механизмах запоминания и извлечения информации в процессах сознания. Результаты работы могут иметь высокое социокультурное значение в свете вызовов современного мира – разработке систем искусственного интеллекта, создания систем мозг-компьютерных интерфейсов, сохранение психического здоровья человека и общества, которое находится в прямой зависимости от указанных факторов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году при выполнении проекта «Ассоциативное обучение в нейросетевых архитектурах головного мозга» нами была разработана и отлажена методика трансляционного эксперимента. Дизайн данного эксперимента отталкивается от опыта исследования конфигурационного обучения в экспериментах на мышах, и позволяет изучать конфигурационное обучение на человеке, с применением современных методов нейровизуализации целостного мозга – магнитоэнцефалографии и функциональной магниторезонансной томографии. Разработанная методика была нами использована при проведении эксперимента на человеке, в котором регистрировали магнитоэнцефалограмму, поведенческие и вегетативные показатели. Анализ поведенческих и вегетативных показателей показал, что у участников экспериментов эффективно протекают процессы ассоциативного обучения – как элементного, так и конфигурационного – в соответствии с запланированным дизайном. Успешность обучения результат открывает возможность производить весь запланированный анализ зарегистрированной магнитоэнцефалограммы. В ходе выполненного нами предварительного анализа магнитоэнцефалографических данных выявлено, что в правых лобно-центрально-височных областях наблюдается повышенная мощность тета осцилляций на подкрепляемый комплексный стимул в сравнении с элементными стимулами. Наиболее яркий эффект наблюдался во временном интервале 400-800 мс после начала предъявления первого стимула. Тета-синхронизация в ответ на подкрепляемый комплексный стимул может указывать на большую сложность обработки именного данного типа стимулов, которая необходима для объединения элементов в конфигурацию. Значительная часть выявленного эффекта приходилась на время поздних когнитивных компонентов вызванного-потенциала/поля, т.е. на этапы высокоуровневой обработки сенсорного стимула, ведущие к созданию, подержанию и модификации высокоуровневых репрезентаций в памяти. Таким образом, полученные предварительные результаты соответствуют нашим ожиданиям относительно активности мозга при обработке и кодировании комплексного стимула, требующего конфигурационной процедуры. В задаче локализации корковых и подкорковых источников активности головного мозга были разработаны и протестированы алгоритмы, способные анализировать состояние нейросетей по ЭЭГ активности вне и внутри МР-томографа, что на следующем этапе позволит совмещать результаты корковой активности нейросетей головного мозга на основе МЭГ данных с корковой и подкорковой активностью нейросетей на основе фМРТ данных. В области исследования модели КУС на животных при выполнении проекта нами было проверено, обучаются ли трансгенные мыши линии Fos-Cre-GFP на КУС так же, как обычные лабораторные мыши. Было показано, что трансгенные животные не отличаются по поведению от стандартной лабораторной линии C57Bl/6J и так же успешно формируют устойчивую долговременную ассоциативную память о КУС и его отдельных компонентах. Такой результат позволит использовать трансгенных животных линии Fos-Cre-GFP для выявления и анализа объемов двух популяций нейронов, активированных в ответ на предъявление двух компонентов КУС, а также степени перекрытия этих популяций в разных областях мозга животных при выполнении проекта в 2024 году.

 

Публикации

1. Торопова К.А., Ивашкина О.И., Воробьева Н.С., Анохин К.В. Сравнительный анализ активности возбуждающих и тормозных нейронов гиппокампа при извлечении ассоциативной обстановочной памяти Журнал высшей нервной деятельности имени И.П. Павлова, - (год публикации - 2024)

2. Ушаков В. Cognitive systems and processes in behavior, physiology and modeling IEEE Fifth International Conference Neurotechnologies and Neurointerfaces (CNN), Kaliningrad, Russian Federation., Pp. 111-113 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/CNN59923.2023.10275178

3. Ушаков В.Л., Хазова М.Л., Жигулина П.Е., Орлов В.А., Малахов Д.Г., Дорохов В.Б. Brain neural network architectures in sleep-wake cycle Studies in Computational Intelligence, Vol. 1130. Springer, Cham, 2024. Pp. 901-910 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1007/978-3-031-50381-8_98

4. Чернышев Б.В., Ушаков В.Л., Позняк Л.А. Поиск нейрофизиологических механизмов конфигурационного обучения Журнал высшей нервной деятельности имени И.П. Павлова, - (год публикации - 2024)