Нейронауки. Нейронные сети и искусственный интеллект

1.

2.

Нейронауки – это широкий спектр
наук, ядро которых составляют
отрасли, имеющие отношение к
мозгу.
Например, нейробиология поведения,
нейрогенетика, нейрофизиология,
психофизиология, нейроэкономика,
нейроинформатика...

3. Нейронные сети и Искусственный интеллект

http://www.neurotechnologies.ru/articles?id=235

4. Истоки

Китай. Изобретение рефлексотерапии
приблизительно 2 700 годом до нашей эры.
Египет. Основатель Древнеегипетской
медицины Имхотеп, который служил при
фараоне Джосере зодчим, а потом — подался
в медицину (Первые описания черепных
швов, мозговых оболочек и спинномозговых
жидкостей)
https://geektimes.ru/company/medga
dgets/blog/265048/

5. Краткая история

- метод наблюдения;
- метод экстирпации - у животных удаляют
определенные участки центральной нервной
системы;
- метод поперечных перерезок (перерезают
центральную нервную систему на различных
уровнях);
- метод раздражения: раздражают рецепторы и
определяют, где в центральной нервной системе
возникает возбуждение; - раздражают зоны
центральной нервной системы и наблюдают за
ответной реакцией (опыт Сеченова).

6.

Перелом наступил в XVIII столетии, когда стали
изготавливать очень сложные часовые механизмы.
В XIX веке окончательно было установлено, что
функции головного мозга осуществляются по
рефлекторному (reflecto — отражаю) принципу.
(первым об этом говорил в XVIII столетии философ
и математик Рене Декарт). Реакции живых
организмов обусловлены внешними раздражениями
благодаря деятельности головного мозга, а не «по
воле Божьей».
Иван Михайлович Сеченов «Рефлексы головного
мозга» (1863).
Иван Петрович Павлов развил эту мысль в виде
«учения о физиологии условных рефлексов».

7. Краткая история, как открыли биологический ток

Луиджи Гальвани заметил, что отпрепарированные
лапки лягушки (нервно-мышечный препарат)
сокращаются при соприкосновении с металлом.
Гальвани доказал, что лапка лягушки может
сокращаться и без соприкосновения с металлом.
Он придумал опыт, который до сих пор выполняют
в физиологическом практикуме студенты —
медики и биологи.

8.

Появились первые физические приборы (струнные
гальванометры), которые позволяли исследовать
слабые электрические потенциалы от биологических
объектов.
Ричард Катон в 1875 году впервые показал, что в
мозгу возникают электрические потенциалы в ответ
на стимуляцию какого-либо сенсорного органа.
Подобные колебания электрического потенциала
сейчас называют вызванными потенциалами.
В 1924 года австрийский психиатр и психофизиолог
Ганс Бергер, используя скальповые игольчатые
электроды, впервые зафиксировал при помощи
гальванометра на бумаге электрические сигналы от
поверхности головы своего 15-летнего сына Клауса.
Данные опубликовал в 1929 году.

9. Группы методов изучения НС

Существует 2 большие группы методов:
инвазивные (от латинского invasio —
внедрение, вторжение, проникновение внутрь) и
неинвазивные (без нарушения целостности
кожи и слизистых оболочек).

10. Методы изучения тканей и органов нервной системы

Гистология - раздел биологии, изучающий
строение, жизнедеятельность и развитие
тканей живых организмов.
Изучение активности нервных клеток
БАС - Боковой амиотрофический склероз, органическое заболевание
центральной нервной системы, с преимущественным поражением
спинного и продолговатого мозга. Этой болезнью болеет Стивен Хокинг.

11. Методы изучения тканей и органов нервной системы

Микроэлектрод прокалывает
мембрану клетки.

12. Неинвазивные методы

Методы, которые изучают:
Электрическую активность мозга
Картирование функций мозга
Косвенную оценку состояния мозга

13. Методы, изучающие электрическую активность мозга

Электроэнцефалография – регистрация
колебаний электрических потенциалов мозга с
поверхности головы

14.

ЭЭГ-характеристики
Альфа ритм- частота от 8 до 13 Гц,
амплитуда 50–100 мкВ.
Бета-ритм – частота от 14 до 30 Гц с
амплитудой 5–30 мкВ.
Гамма-ритм – частота 30 Гц.
Амплитуда не превышает 15 мкВ
Тета-ритм- частота 4–8 Гц и
амплитуда от 20 до 100 мкВ
Дельта-ритм-высокоамплитудные
(сотни микровольт) частота волны 1–4
Гц.

15. Система 10-20 % (Jasper, 1958)

Монополярный способ регистрации ЭЭГ.
Регистрация относительно референта. Часть тела
с нулевым потенциалом.
Биполярный способ регистрации ЭЭГ. Разница
потенциала между любой парой точек.

16. Вызванные потенциалы (ВП), почти тоже самое - Связанные с событиями потенциалы (ССП) = Event-related potential (ERP)

Это электрическая активность головного
мозга, возникающая в ответ на действие
какого-либо стимула.
P300- решение когнитивных задач
N400- распознавание целого слова
P600- распознавание ошибок в слове

17. Магнитоэнцефалография (МЭГ)

Активность мозга всегда представлена синхронной активностью
большого количества нервных клеток, сопровождаемой слабыми
электрическими токами, которые создают магнитные поля.
Регистрация этих полей неконтактным способом позволяет получить
так называемую магнитоэнцефалограмму (МЭГ).
Данный метод позволяет с высокой точностью локализовать
источники нейронной активности в пространстве и времени.

18.

Транскраниальная магнитная стимуляция – Электромагнитная катушка
порождает переменное магнитное поле, а в нервной ткани создается
электрическое поле, из-за этого нейроны начинают генерировать
потенциалы действия, которые дальше передаются в соответствующие
места по нервным путям.

19. Томография – получение послойного изображения внутренней структуры объекта.

Сюда относятся методы, которые позволяют эффективно оценивать роль той
или иной структуры мозга в конкретных задачах, а также получить
представление о комплексной работе всего мозга. И часть этих методов
входят в группу

20. КТ

Компьютерная томография (КТ) – метод основан на измерении и
сложной компьютерной обработке разности ослабления
рентгеновского излучения различными по плотности тканями.
В случае КТ врач не просто видит ткани, но может изучать их
рентгеновскую плотность, которая меняется при заболеваниях.
Источник излучения —рентгеновская трубка, точнее несколько
трубок. Просвечивая пациента с нескольких сторон, компьютер
складывает полученные данные и рисует двухмерную картинку
на уровне одного виртуального "среза". Далее он делает "срез"
через 5 мм и снова рисует картинку. И так 8—10 раз.

21.   МРТ

Магнитно-резонансная томография (МРТ) — это послойное изучение
тела, но с помощью магнитного поля такой плотности, в котором
человеческое тело начинает «светиться», что фиксируют датчики МРТ.
Поскольку все наши органы имеют разную плотность и структуру
тканей, они и «светятся» по-разному. На этом и строится реконструкция
изображения.
Отличие компьютерной томографии (КТ) и магнитно-резонансной
томографии (МРТ) состоит в разных физических явлениях, которые
используются в аппаратах.

22. фМТР

Функциональная МРТ (фМРТ) — метод картирования
коры головного мозга, позволяющий определять
индивидуальное
местоположение
и
особенности
областей мозга, отвечающих за движение, речь, зрение,
память и другие функции, индивидуально для каждого
пациента.
В процессе проведения фМРТ больному предлагается
выполнение определенных заданий, участки мозга с
повышенным кровотоком регистрируются, и их
изображение накладывается на обычную МРТ мозга.

23. ПЭТ

Позитронно- эмиссионная томография (ПЭТ) – метод
картирования мозга, основан на выявлении распределения в мозге
различных химических веществ которые принимают участие в
обменных процессах нервной ткани.
В кровоток вводятся радиоизотопы (с излучением) и отслеживают
их продвижение в мозге с помощью детекторов

24. Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)

радионуклидный томографический метод
На сегодняшний день в ПЭТ применяют
углерод-11 (T½ = 20,4 мин.)
азот-13 (T½=9,96 мин.)
кислород-15 (T½=2,03 мин.)
фтор-18 (T½=109,8 мин.)

25.

26. Методы изучения косвенной оценка состояния мозга Электрическая активности кожи (ЭАК) или кожно-гальваническая реакция (КГР):

Существуют два метода регистрации кожногальванических реакций:
по *Тарханову = Эндосоматический
способ (регистрация электрических потенциалов
кожи) и
по *Фере = Экзосоматический способ (регистрация
электрического сопротивления кожи, при
пропускании через нее слабого тока).

27. Электромиография -

-
это метод изучения биоэлектрических процессов,
развивающихся в мышцах людей и животных во время
различных двигательных реакций. Метод основан на записи
биопотенциалов скелетных мышц. Запись колебаний
мышечных потенциалов производится специальными
приборами — электромиографами различных типов.

28. Окулография

Метод исследования движения глаз.

29. Современные методы: Оптогенетика

К клеткам вирус доставляет
светочувствительные белки, и затем
интересующее место освещают вспышками
света. Белки, закрепившиеся на мембране
клеток, исполняют роль каналов. При
попадании света они пропускают ионы,
заставляя нейрон разрядиться. Соседние
клетки, не снабжённые каналами, на свет
не реагируют.
Можете познакомиться с еще некоторыми новыми разработками
http://22century.ru/docs/dbs

30. Оптогенетика

31. «Беспроводная термомагнитная глубокая стимуляция мозга» (wireless magnetothermal deep brain stimulation).

метод, позволяющий безопасно стимулировать скопления
клеток в любом месте мозга, включая глубокие зоны.
Технология не требует вживления электродов и способна
произвести революцию в нейромедицине.
Разные методы либо «бьют» по верхним слоям коры, либо
ставят перед необходимостью вводить стимуляторы в ткань
мозга. Учёные Массачусетского технологического
института нашли новый способ управлять нервными
клетками. Они вызвали активность нейронов в мозге мышей
с помощью наночастиц, о чём в марте 2015го сообщили в журнале Science. Метод не нуждается
в электродах и не использует электричество.

32. Коннектом

— полное описание
структуры связей в нервной системе
организма.
Область исследований, включающая в
себя картографирование и анализ
архитектуры нейрональных связей,
называется коннектомика
https://elementy.ru/novosti_nauki/432176/Mozg_muzhchin_i_zhenshchin_
otlichaetsya_orientatsiey_neyronnykh_svyazey