Математики описали синхронизирование колебаний нейронов
Ученые из Международной лаборатории динамических систем и приложений НИУ ВШЭ в Нижнем Новгороде описали редкий случай синхронизации в системе связанных химической связью моделей нейронов. Результат работы позволит на математическом уровне описывать нетипичные режимы функционирования мозга, возникающие в том числе при нейродегенеративных заболеваниях.
Исследование опубликовано в журнале Regular and Chaotic Dynamics. Работа поддержана мегагрантом Правительства России в рамках нацпроекта «Наука и университеты» и грантом РНФ. Нейроны — это нелинейные объекты, и это играет ключевую роль в их функционировании. Нелинейность в их поведении проявляется в том, как они обрабатывают и передают информацию. В некоторых случаях нейроны могут синхронизироваться, что создает коллективные ритмы или волны активности в мозге. Этот вид синхронизации можно рассмотреть как форму ансамблей осцилляторов.
Ансамбли осцилляторов — связанные и взаимодействующие между собой колеблющиеся объекты. Особенно интересны нелинейные взаимодействия, когда изменение «поведения» одного осциллятора может вызывать сложную реакцию других.
Один из наиболее значимых нелинейных эффектов — феномен синхронизации. Ранее в литературе были описаны системы, которые по отдельности проявляют пачечные колебания — чередующиеся периоды активности и покоя, а в связке синхронизируются в противофазе. То есть активности одного элемента соответствует состояние покоя другого. Это достаточно типичный механизм активности системы нейронов. Но существуют определенные параметры, при которых осцилляторы могут быть синфазны: когда обе подсистемы активны или «молчат» одновременно.
Это нетипичный режим синхронизации. Исследователи из НИУ ВШЭ заинтересовались именно этим режимом. С помощью численного моделирования и решения системы уравнений, описывающих химическое взаимодействие двух нейронов, ученые смогли описать сценарий и механизм возникновения такого синфазного режима колебаний.
«Принципиально новое в нашей работе: мы показали, что синфазное поведение соответствует гиперхаосу. Нам удалось описать механизм возникновения синфазной синхронизации за счет проявления в динамике подсистем седловых циклов с двумерным неустойчивым многообразием», — рассказала один из авторов статьи, доцент НИУ ВШЭ в Нижнем Новгороде Наталия Станкевич.
Гиперхаос в системе осцилляторов — это автоколебательный режим, его период равен бесконечности, в котором система ведет себя непредсказуемо, при этом неустойчивость является многомерной. Как поясняют ученые, это более сложный вид хаоса, поскольку есть несколько направлений, вдоль которых близкие фазовые траектории разбегаются.
«В режиме гиперхаоса колебания хаотичны в каждой подсистеме. Они не идентичны абсолютно друг другу. Но при этом циклы покоя и активности происходят в фазе. В результате численного моделирования мы определили области в пространстве параметров модели, где можно наблюдать синфазную синхронизацию», — комментирует Наталия Станкевич.
Областью применения полученных результатов могут стать нейроисследования. Разные режимы синхронизации в нейронах играют центральную роль в формировании нормальных и атипичных паттернов активности отделов головного мозга. Так, эпилепсия часто связана с необычными паттернами активности нейронов и синхронизацией между ними. Эпилептические припадки являются результатом коллективной активности нейронных клеток. Часто их называют патологически гиперсинхронизированными состояниями. Исследования в области нейросинхронизации могут помочь раскрыть, какие конкретные изменения в мозговой активности приводят к эпилептическим припадкам.
Telegram 
Дзен 
VK Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Полифенолы и другие соединения заваренного кофе в лабораторной модели связывались с ядерным рецептором NR4A1, который участвует в ответе клеток на стресс, воспаление и повреждение. Вещества меняли активность рецептора и тормозили рост опухолевых клеток, а при подавлении рецептора эффект слабел. Ученые предложили молекулярное объяснение части полезных эффектов кофе, но не проверяли их у людей.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
На границе возможностей оптоволокна лазерный пучок самоорганизовывается в мощный, сфокусированный луч-иглу. Параметры этого излучения таковы, что позволяют в реальном времени без дополнительных ухищрений рассматривать клеточные процессы.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно