Специалистами Института математических проблем биологии (ИМПБ РАН) была создана полноценная математическая модель, отражающая процесс формирования нейросвязей хорды и мозгового ствола головастика, которому два дня с момента рождения.
При сенсорной стимуляции, смоделированная специалистами нейронная сеть, ответно начала воспроизводить активность в виде ритмических волн. Визуально это напоминает плавание реального головастика.
В начальном этапе развития головастика морфогены, которые отвечают за рост и клеточное развитие, способствуют формированию спинно-брюшных систем. Нейронами создаются особые отростки, которые делятся на аксоны и дендриты. Как правило, нейрон обладает несколькими дендритами, которые могут разветвляться. По ним проходят импульсы, направленные к телу. Также у нейрона есть аксон, имеющих большую длину в сравнении с дендритом. По нему импульсы отправляются от тела к другим нейронам и клеткам.
Нейросеть, которая управляет движениями головастика, образуется благодаря проращиванию аксонов. Науке пока достоверно неизвестно, каким образом складываются синаптические контакты, с помощью которых нейроны возбуждают другие клетки. Также нет объяснения процессу обеспечения генерации и распространению волновой активности, рассматриваемой как плавание.
Ученые в рамках данного исследования ставили цель разработать точную модель формирования нейросети головастика, которая будет обоснована данными, полученными в результате эксперимента. Решение о моделировании нейронной сети двухдневного головастика было принято, поскольку на данной стадии развития организма у специалистов есть достоверные экспериментальные сведения об особенностях действия и ответа нейросети на тактильное стимулирование.
В качестве основной гипотезы приняли суждение, подразумевающее, что аксоны растут под влиянием химических градиентов и физических преград. Синапсы же с, близко расположенными к аксонам, дендритами формируются с вероятностным характером, который несвойственен в отношении типа нейронов. В итоге исследование показало, что данный механизм способен сформировать модель нейросети, которая будет управлять процессом плавания без необходимости внедрять дополнительное обучение.
В рамках экспериментального моделирования была создана нейронная сеть, в которой содержится 1.4 тысячи нейронов, разделенных на 7 типов. Они располагаются в спинной хорде и задней мозговой части головастика.
Для описания модели использовались разностные уравнения, компоненты которых были стохастическими и недетерминированными. Вычисления, произведенные на компьютере, продемонстрировали адекватное воспроизведение активности разных типов нейронов при кратком тактильном воздействии математической моделью.
