В настоящее время устройство, строение и принципы работы головного мозга являются одним из наиболее актуальных направлений современных исследований в области биологических наук и биомедицины. Наиболее полное понимание механизмов работы головного мозга позволит ускорить разработку новых вещей, зависящих от наших знаний об устройстве мозга, например, создание нейроинтерфейсов или нахождение новых эффективных способов борьбы с патологиями мозга. Об изучении патологии далее и пойдёт речь, а конкретно, а моделировании эпилепсии. Эпилепсия является одним из наиболее распространённых заболеваний, которое по большей части является результатом патологических структурно-функциональных связей между корой и глубокими структурами мозга.

Традиционно изучение процессов в биосистемах разделён на несколько этапов, одним из которых является создание моделей. Целью данной работы является реализация радиотехнической модели, связанных в сеть, нейронов с синапсами для моделирования электромагнитной активности мозга во время патологического состояния приступа абсансной эпилепсии. При помощи радиотехнического моделирования можно проверить грубость модельных представлений, таких чувствительность к шумам или достижимость модельного поведения в реальном эксперименте.

Для воспроизведения патологического состояния в виде электромагнитного сигнала была спаяна радиотехническая установка на базе аналоговых компонентов для реализации модели таламо-кортикальной сети головного мозга. В качестве одного узла данной сети была выбрана популярная простая модель возбудимой клетки – осциллятор ФитцХью-Нагумо. За счёт того, что модель обладает низким порядком нелинейности и безразмерными величинами, её удалось относительно несложно реализовать. Архитектура связей между нейронами характеризуется моделью, предложенной ранее в [1]. Клетки разделены на пирамидальные, ретикулярные, таламокортикальные и интернейроны. Все нейроны выполнены подобными друг другу, отличие между типами клеток в том, на какие клетки они могут воздействовать и с какой силой связи. Для реализации тормозной функции синаптической связи линейная связь в модели была заменена на сигмоидную функцию половинного гиперболического тангенса со смещением [2]. Такой тип связи воспроизводит механизм торможения сигнала между клетками через тормозные связи и при этом продолжает оказывать возбуждающее воздействие на нейроны, связанные возбуждающей связью. Согласно современным представлениям инициации эпилептического воздействия на внешний триггер, в сеть также введён модельный нейрон, подобный остальным, за тем отличием, что он настроен на автоколебательный режим, то есть представляет собой внешнее воздействие от тройничного воздействия.

Таким образом, в данной работе была реализована радиотехническая модель таламо-кортикальной сети головного мозга крысы в патологическом состоянии приступа абсансной эпилепсии. Между собой нейроны соединены по определённым правилам иерархической модели посредством сигмоидной функции, имитирующей свойства синапсов. Сеть состоит из 14 осцилляторов, включая тройничный нерв. Были получены временные реализации, имеющие характерные сходства с реальными данными эпилептических разрядов у крыс.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 21-72-00015.



Список литературы

[1] Egorov, N. & Ponomarenko, Vladimir & Sysoev, Ilya & Sysoeva, M.. (2021). Simulation of Epileptiform Activity Using Network of Neuron-Like Radio Technical Oscillators. Technical Physics. 66. 505-514. 10.1134/S1063784221030063.

[2] Egorov, Nikita & Sysoev, Ilya & Ponomarenko, Vladimir & Sysoeva, Marina. (2022). Epileptiform activity generation by an ensemble of complete electronic FitzHugh-Nagumo oscillators connected by a sigmoid couplings. 2. 10.1117/12.2623993.

Novadays, the device, structure and principles of the brain are one of the most relevant areas of modern research in the field of biological sciences and biomedicine. The most complete understanding of the mechanisms of the brain will allow us to accelerate the development of new things that depend on our knowledge about the structure of the brain, for example, the creation of neural interfaces or finding new effective ways to combat brain pathologies. The study of pathology will be discussed further, and specifically, the modeling of epilepsy. Epilepsy is one of the most common diseases, which for the most part is the result of pathological structural and functional connections between the cortex and deep brain structures.

Traditionally, the study of processes in biosystems is divided into several stages, one of which is the creation of models. The aim of this work is to implement a radio engineering model of network-connected neurons with synapses to simulate the electromagnetic activity of the brain during the pathological state of an absence epilepsy attack. With the help of radio engineering simulation, one can check the roughness of model representations, such as sensitivity to noise or the achievability of model behavior in a real experiment.

To reproduce the pathological condition in the form of an electromagnetic signal, a radio installation based on analog components was soldered to implement a model of the thalamo-cortical network of the brain. As one node of this network, a popular simple model of an excitable cell, the FitzHugh-Nagumo oscillator, was chosen. Due to the fact that the model has a low order of nonlinearity and dimensionless quantities, it was relatively easy to implement. The architecture of connections between neurons is characterized by the model proposed earlier in [1]. Cells are divided into pyramidal, reticular, thalamocortical and interneurons. All neurons are made similar to each other, the difference between cell types is in which cells they can act on and with what strength of connection. To implement the inhibitory function of the synaptic connection, the linear connection in the model was replaced by a sigmoid function of half hyperbolic tangent with a shift [2]. This type of connection reproduces the mechanism of signal inhibition between cells through inhibitory connections and, at the same time, continues to have an excitatory effect on neurons connected by an excitatory connection. According to modern concepts of the initiation of an epileptic effect on an external trigger, a model neuron similar to the others was also introduced into the network, with the difference that it is tuned to a self-oscillatory mode, that is, it represents an external effect from a trigeminal effect.

Thus, in this work, a radio engineering model of the thalamo-cortical network of the rat brain in the pathological state of an absence epilepsy attack was implemented. Neurons are interconnected according to certain rules of the hierarchical model by means of a sigmoid function that mimics the properties of synapses. The network consists of 14 oscillators, including the trigeminal nerve. Temporal realizations were obtained that have characteristic similarities with the real data of epileptic discharges in rats.

The work was supported by the Russian Science Foundation grant No. 21-72-00015.



References

[1] Egorov, N. & Ponomarenko, Vladimir & Sysoev, Ilya & Sysoeva, M.. (2021). Simulation of Epileptiform Activity Using Network of Neuron-Like Radio Technical Oscillators. Technical Physics. 66. 505-514. 10.1134/S1063784221030063.

[2] Egorov, Nikita & Sysoev, Ilya & Ponomarenko, Vladimir & Sysoeva, Marina. (2022). Epileptiform activity generation by an ensemble of complete electronic FitzHugh-Nagumo oscillators connected by a sigmoid couplings. 2. 10.1117/12.2623993.