Способ обучения биологической нейронной сети (в эксперименте)

Изобретение относится к нейрофизиологии, конкретно к направленному обучению биологической нейронной сети. Способ включает использование микроэлектродной матрицы для выращивания культуры диссоциированных нейрональных клеток, стимуляцию высокочастотными электрическими импульсами двух участков нейрональных клеток на основе правила зависящей от времени импульса синаптической пластичности и оценку эффективности обучения биологической нейронной сети. Используют микроэлектродную матрицу, совмещенную с двухкамерным микрожидкостным чипом, содержащим микроканалы для культивирования двух связанных аксонами популяций диссоциированных нейрональных клеток. Стимуляцию высокочастотными электрическими импульсами двух участков нейрональныхных клеток осуществляют на основе правила зависящей от времени импульса синаптической пластичности, при которой импульс направляется по аксонам в микроканалах от популяции-источника в популяцию-приемник. Стимулируют участки нейронной сети, соответствующие расположению пре- и постсинаптических нейронов в сконструированной связи. Оценку эффективности обучения биологической нейронной сети проводят по прямому показателю заданной функциональной связи и косвенным показателям. Изобретение позволяет направленно изменять функциональные связи в культуре диссоциированных клеток и детектировать вызванный эффект на основе их функциональной активности. 2 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к нейрофизиологии, а именно к области проведения электрофизиологических манипуляций с живой тканью, и может быть использовано для обучения нейронной сети in vitro и для создания в перспективе нейрон-компьютерных устройств, способных к обучению.

В результате фундаментальных исследований мозга установлено, что активация отдельных структур мозга позволяет запустить процесс нейропластичности и регенерации нервных клеток, что является актуальным направлением для дальнейших научных исследований.

Поскольку обеспечение возможности управления этими процессами основано на изменении функциональной связи между элементами нейронной сети, выраженной в изменении ее биоэлектрической активности, текущие исследования проводятся путем многочисленных электрофизиологических экспериментов, связанных с изучением явлений обучения и памяти, влияния различных химических, физических и биологических факторов на указанные явления.

Известны способы обучения нейронной сети путем индукции популяционной пластичности в культуре диссоциированных нервных клеток с обратной связью, которые включают также приемы кодирования информации и оценки эффективности памяти.

Например, известны способы обучения нейронной сети (WO 02073526, US 2004131998, RU 2553947 C2), которые позволяют индуцировать сетевую пластичность в культурах диссоциированных нейронов культивируемых на микроэлектродной матрице путем направленного воздействия на определенный участок нейронной сети и включают циклы, состоящие из стимуляции, регистрации ответа сети и изменения стимуляции на некоторое время, если ответ удовлетворяет заданным критериям.

Эффективность обучения биологической нейронной сети оценивается по временным параметрам, а именно уменьшение времени достижения «желаемого ответа» от одной серии стимуляции к другой является свидетельством достижения цели.

Одним из основных недостатков данной группы способов является отсутствие прямых доказательств изменения функциональных связей и достижения «желаемого ответа» в 50% экспериментов.

Кроме того, использование микроэлектродной матрицы не позволяет разделять тела и отростки нервных клеток и направлять рост невритов, что обеспечивается при использовании микроэлектродных матриц совместно с микрожидкостными силиконовыми чипами (патент СА 2739771 А1).

Использование микрожидкостных чипов позволяет создавать субпопуляции нервных клеток в культуре, связанных своими отростками, проросшими через микроканалы.

Тем не менее, модель для индукции сетевой пластичности на основе связанных субпопуляций нервных клеток данным способом не была предложена.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату предлагаемого изобретения является способ обучения биологической нейронной сети путем стимуляции электровозбудимых клеток (Wagenaar D. a, Pine J., Potter S.M. Searching for plasticity in dissociated cortical cultures on multi-electrode arrays. // J. Negat. Results Biomed. 2006. T. 5. C. 16).

Способ по прототипу заключается в стимуляции двух участков культуры диссоциированных нейрональных клеток, выращенной на микроэлектродной матрице, с задержкой от 0 до 10 мс.

Данный способ стимуляции осуществляется на основе правила зависящей от времени импульса синаптической пластичности (STDP).

Данное правило заключается в том, что усиление или ослабление синаптической связи между пре- и постсинаптическим нейроном зависит от временной задержки приложения стимулов к этим нейронам.

Например, для возбуждающих нейронов гиппокампа известно, что стимуляция пресинаптического нейрона, затем постсинаптического нейрона с задержкой около 10 мс приводит к усилению (потенциации) синаптической связи между этими нейронами. Если с той же задержкой первым стимулируется постсинаптический нейрон, наблюдается ослабление (депрессия) синаптической связи. Применение такой стимуляции к популяции нервных клеток приводит к изменению функциональных связей.

Вызванные изменения детектируются на основе анализа корреляции активности, регистрируемой микроэлектродами матрицы в различных участках нейронной сети, а также на основе частотно-временных характеристик сетевой активности.

Недостатком способа по прототипу является то, что вызванные изменения функциональных связей не направлены и не контролируемы из-за случайности и разнонаправленности связей в культурах диссоциированных клеток.

Кроме того, для регистрации вызванных изменений требуется применение сложных методов математического анализа активности, регистрируемой множеством электродов.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка упрощенного способа обучения биологической нейронной сети направленного и контролируемого действия и создание модели для индукции сетевой пластичности.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе обучения биологической нейронной сети, включающем использование микроэлектродной матрицы для выращивания культуры диссоциированных нейрональных клеток, стимуляцию высокочастотными электрическими импульсами двух участков нейрональных клеток на основе правила зависящей от времени импульса синаптической пластичности и оценку эффективности обучения биологической нейронной сети, используют микроэлектродную матрицу, совмещенную с двукамерным микрожидкостным чипом, содержащим микроканалы для культивирования двух связанных аксонами популяций диссоциированных нейрональных клеток, осуществляют стимуляцию высокочастотными электрическими импульсами двух участков нейрональныхных клеток на основе правила зависящей от времени импульса синаптической пластичности, при которой импульс направляется по аксонам в микроканалах от популяции-источника в популяцию-приемник, стимулируют участки нейронной сети, соответствующие расположению пре- и постсинаптических нейронов в сконструированной связи; оценку эффективности обучения биологической нейронной сети проводят по прямому показателю заданной функциональной связи и косвенным показателям.

Техническим результатом использования изобретения является возможность направленно изменять функциональные связи в культуре диссоциированных клеток и детектировать вызванный эффект на основе их функциональной активности.

Новизна заявляемого способа подтверждается тем, что по доступной научной и практической информации для решения поставленной задачи предлагаемое техническое решение не использовалось, а так как предлагаемое решение обеспечивает наличие свойств, не совпадающих со свойствами известных решений, то оно обладает изобретательским уровнем.

Предлагаемое изобретение отвечает требованию научно-технического уровня, поскольку для решения поставленной задачи проведены специальные научные исследования: «Исследование сетевой пластичности и сетевых механизмов памяти в модели диссоциированных культур гиппокампа на мультиэлектродных зондах», (Соглашение №14.19-01381 от 27.06.2014 г. между Российским научным фондом и «Нижегородским государственным университетом им. Н.И. Лобачевского»).

В результате проведенных исследований был разработан способ, который позволяет направленно индуцировать пластичность в культуре диссоциированных клеток, что невозможно при применении известных способов решения той же поставленной задачи.

Изобретение может применяться для проведения электрофизиологических экспериментов, связанных с изучением явлений обучения и памяти на сетевом уровне, влияния различных химических (лекарственные препаратов, токсины и т.п.), физических (в т.ч. электрической стимуляции) и биологических (сокультивирование, генетические мутации и др.) факторов на указанные явления.

Применение разработанного протокола в более сложных нейронных схемах, состоящих из множества субпопуляций нервных клеток, связанных направленными связями, позволит создавать нейрон-компьютерные устройства, способные выполнять широкий набор задач, обучаться и переобучаться при изменении условий.

Способ осуществляют следующим образом.

Электрические импульсы подают на электроды микроэлектродной матрицы, вызывая деполяризацию нейронов в культуре. Управление экспериментом осуществляют с помощью компьютера, оснащенного программным обеспечением МЕА Recorder и NLearn для визуализации наведенных электрических сигналов от активности нервных клеток и записи данных в файл в специализированном формате для последующего анализа.

Для оценки исходного состояния функциональной связи в нейронной сети проводят регистрацию спонтанной или вызванной единичными электрическими импульсами активности нервных клеток. Весь эксперимент проводят в условиях, необходимых для поддержания жизнеспособности культур: концентрация 5% CO₂ в воздухе, температура 37°С с предотвращением испарения питательной среды за счет высокой влажности или герметичности камеры.

При выборе спонтанной активности для оценки функциональной связи в нейронной сети, предварительно оценивают вероятность распространения спонтанных пачек в заданном направлении из камеры-источника в камеру-приемник для данной культуры. Для этого спонтанную активность регистрируют в течение 10 мин. Записанные данные анализируют в авторской программе Meaman и определяют процент пачек, распространяющихся от камеры-источника в камеру-приемник. Если процент переданных спонтанных пачек импульсов в заданном направлении превышает 30% и при этом спонтанные пачки импульсов распространяются в противоположном направлении в 5 раз реже и более, то такую культуру принимают в эксперимент. Далее проводят регистрацию спонтанной активности выбранной культуры в течение трех часов.

Если для оценки функциональной связи в нейронной сети выбирают характеристики вызванной активности, то в начале эксперимента проводят поиск стимулирующих электродов, стимуляция которых приводит к вызову сетевых ответов в виде пачек биоэлектрических импульсов. Эти электроды используют для низкочастотной стимуляции для оценки функциональной связи на основе вызванной активности. В программе задают начальные параметры стимуляции (амплитуду и длительность импульсов, частоту, время их подачи и номера тестируемых электродов) и запускают поиск стимулирующих электродов. Подают 10 двухфазных импульсов длительностью 260 мкс на фазу с интервалом 3 с и амплитудой 800 мВ на тестируемый электрод. С помощью всех остальных электродов принимают ответ - регистрируют электрическую активность в виде наведенных электрических сигналов от активности нейронов, пространственно локализованных в окрестности каждого электрода. Электрод в камере-источнике используют для тестовых стимулов только в том случае, если его стимуляция приводит к ответу сети, распространяющемуся по направленной связи и вызывающему ответ в камере-приемнике не менее чем в 50% случаев.

Для оценки функциональной связи на основе вызванной активности проводят минимум три повторяющиеся серии низкочастотной стимуляции одного или нескольких выбранных электродов в камере-источнике, состоящие из не менее 60 стимулов на электрод в одной серии. Применяют прямоугольные бифазные импульсы напряжения ±800 мВ длительностью 260 мкс на фазу, первая положительная с интервалом между стимулами 3 с. Первую стимулирующую серию исключают из анализа, потому что в течение первой стимуляции происходит адаптация нейронной сети к электрическим стимулам. Две последующие серии (вторая и третья) используют для оценки спонтанных изменений на основе различия ответов на стимулы в этих сериях. В частном случае дополнительно в стимулирующие серии включают стимуляцию электродов в камере-приемнике и в микроканалах для оценки локального распространения сигналов в этих участках сети. Затем применяют стимуляцию, направленно действующую на функциональную связь между субпопуляциями нервных клеток.

Для стимуляции выбирают от 1 до 8 пар микроэлектродов в камерах для тел клеток в непосредственной близости к началу и концу каналов (выбирая 8 пар электродов для стимуляции, прямое воздействие оказывают на всю функциональную связь, уменьшая количество пар стимулирующих электродов локализуют прямое воздействие на нейроны, составляющие функциональную связь между двумя субпопуляциями). На группу электродов (от 1 до 8) в камере-источнике, расположенных в непосредственной близости к микроканалам, подают стимулы от первого канала стимулятора. На соответствующую группу электродов в камере-приемнике, расположенных в непосредственной близости к тем же микроканалам с другой стороны, подают стимулы от второго канала стимулятора.

В программе на управляющем компьютере формируют протокол стимуляции через два канала таким образом, чтобы стимулы от второго стимулирующего канала подавались после стимулов с первого канала с задержкой, соответствующей правилу STDP для культивируемых нервных клеток. В частном случае используют культуры клеток гиппокампа, содержащие около 80% возбуждающих и 20% тормозных нейронов. Для таких культур применяют правило STDP для возбуждающих клеток гиппокампа, а именно стимуляцию пре- и постсинаптических нейронов с задержкой равной 10 мс. В стимулирующем протоколе применяют прямоугольные бифазные импульсы напряжения ±800 мВ, длительностью 260 мкс на фазу, первая положительная. На каждый вход подают серию из 20 стимулов с интервалом 100 мс, повторяющаяся 150 раз с интервалом 6 с (как в прототипе (Wagenaar, 2003)). При использовании культур нервных клеток других типов применяют задержку между первым и вторым входом согласно правилу STDP для соответствующего типа клеток.

После стимуляции, направленно действующей на функциональную связь между субпопуляциями нервных клеток, проводят регистрацию активности сети для оценки вызванных изменений.

При выборе для оценки функциональной связи в нейронной сети спонтанной активности ее записывают в течение минимум 1 часа сразу после стимуляции. При выборе для оценки функциональной связи в нейронной сети вызванной активности проводят минимум одну серию тестовой стимуляции. Для проверки сохранения вызванного эффекта через час записывают 20 мин спонтанной активности или предъявляют серию тестовых низкочастотных стимулов.

Записанные данные анализируют после окончания эксперимента в авторской программе Meaman. Данные по спонтанной активности разделяют на 20 мин интервалы. Для оценки изменений анализируют час до и час после стимуляции. Первые два часа записи спонтанной активности используют для оценки стабильности анализируемых параметров. Изменение функциональной связи детектируют по изменению набора различных параметров спонтанной активности: вероятности и временной задержки передачи сетевых пачек между субпопуляциями, частоты импульсов на отдельных участках нейронной сети субпопуляции-приемнике, частотно-временных характеристик спонтанных пачек в субпопуляции-приемнике (длительности пачек, количестве импульсов в пачках) и другие. При оценке вызванной активности анализируют вызванные тестовыми стимулами ответы до и после индуцирующей пластичность стимуляции. Изменение функциональной связи детектируют по изменению набора различных параметров вызванной тестовыми стимулами активности: вероятности и задержки распространения ответа в субпопуляцию-приемник, частотно-временных характеристик вызванных пачек в субпопуляции-приемнике (длительности пачек, суммарном количестве импульсов в пачках и на отдельных электродах) и другие.

Различие данных параметров для 20 мин интервалов спонтанной активности и для стимулирующих серий до и после стимуляции оценивают на основе методов статистического анализа.

Способ поясняется следующими графическими изображениями:

Устройство для обучения биологической нейронной сети (в эксперименте) представлено на Фиг. 1, где:

1 - Силиконовый микрожидкостный чип

2 - Микроканалы

3 - Культура нервных клеток

4 - Регистрирующие микроэлектроды

5 - Стимулирующие микроэлектроды

6 - Электрод сравнения

Стандартная микроэлектродная матрица представляет из себя стеклянную чашку, на дне которой расположены 60 встроенных плоских микроэлектродов: 1 электрод сравнения и 59 регистрирующих наведенные электрические сигналы от активности нервных клеток. Регистрирующие электроды матрицы имеют диаметр 30 мкм и располагаются по сетке 8×8 с расстоянием между электродами 200 мкм.

Силиконовый микрожидкостный чип 1, прикрепленный к поверхности микроэлектродной матрицы, образует восемь микроканалов 2 и две камеры для выращивания культуры нервных клеток 3. Микрожидкостный чип 1 выравнивают таким образом, чтобы регистрирующие электроды 4 располагались во всех узких местах микроканалов, часть электродов - в камерах для тел клеток в непосредственной близости к микроканалам, часть - в камерах для тел клеток на удалении от микроканалов. В качестве стимулирующих электродов 5 выбирают все или часть электродов матрицы, которые расположены в камерах для тел клеток в непосредственной близости к микроканалам. В частном случае выбирают по 4 электрода в каждой камере рядом с четырьмя микроканалами. Электрод сравнения 6 не соприкасается с культурой нервных клеток 3 и не закрывается силиконовым чипом 1.

Применение в разработанном способе прозрачных силиконовых чипов позволяет оценивать биоэлектрическую активность нейронной сети не только электрофизиологическими методами, но и используя потенциал-чувствительные и ионные маркеры (например, Са²⁺ связывающий флуоресцентный краситель Oregon Green®). Такие маркеры позволяют наблюдать активность отдельных клеток, хотя имеют временное разрешение меньшее, чем многоканальные микроэлектродные системы.

За счет выравнивания микроканалов силиконового чипа относительно регистрирующих электродов 4 часть электродов находится точно в участках, соответствующих пре- и постсинаптическим нейронам. Эти электроды выбирают в качестве электродов для стимуляции.

Микрофотография зрелых нервных клеток, которые сформировали отростки в процессе развития, образуя нейронную сеть, показана на Фиг. 2.

Аксоны нервных клеток из камеры-источника прорастают внутри восьми микроканалов в камеру-приемник и формируют направленную функциональную связь между подсетями в двух камерах. Чип с 8 микроканалами, адаптированный к стандартной 8×8 матрице микроэлектродов, позволяет полностью контролировать передачу сигнала между субплпуляциями нервных клеток.

В процессе развития культуры нервных клеток в камере-источнике первыми в микроканалы начинают прорастать отростки от клеток в непосредственной близости к входам в эти микроканалы. Проросшие через микроканалы аксоны образуют синаптические контакты с ближайшими нейронами в камере-приемнике. Поэтому в качестве участков с пре- и постсинаптическими нейронами выбирают места культуры в области в непосредственной близости к микроканалам: в камере-источнике - пресинаптический участок, в камере-приемнике - постсинаптический.

Для индукции популяционной пластичности используют культуру нервных клеток через 3 недели развития in vitro, поскольку только в зрелых культурах может происходить передача сигнала в виде пачки биоэлектрических импульсов.

Ниже представлены примеры конкретного осуществления заявляемого изобретения.

Пример 1. Оценка функциональной связи в нейронной сети по характеристикам вызванной активности.

На микроэлектродной матрице, совмещенной с двухкамерным микрожидкостным силиконовым чипом с 8 микроканалами, культивируют диссоциированные нейрональные клетки гипокампа 18-дневных эмбрионов мышей в виде двух популяций, связанных аксонами.

После трех недель развития клеток проводят эксперимент по обучению биологической нейронной сети в условиях, необходимых для поддержания жизнеспособности культур при 5% концентрации CO₂ воздухе и температуре 37°С.

В начале эксперимента проводят поиск стимулирующих электродов, стимуляция которых приводит к вызову сетевых ответов в виде пачек биоэлектрических импульсов. Эти электроды используют для низкочастотной стимуляции для оценки функциональной связи на основе вызванной активности. В программе задают начальные параметры стимуляции (амплитуду и длительность импульсов, частоту, время их подачи и номера тестируемых электродов) и запускают поиск стимулирующих электродов. Подают 10 двухфазных импульсов длительностью 260 мкс на фазу с интервалом 3 с и амплитудой 800 мВ на тестируемый электрод. С помощью всех остальных электродов принимают ответ - регистрируют электрическую активность в виде наведенных электрических сигналов от активности нейронов, пространственно локализованных в окрестности каждого электрода. Электрод в камере-источнике используют для тестовых стимулов только в том случае, если его стимуляция приводит к ответу сети, распространяющемуся по направленной связи и вызывающему ответ в камере-приемнике не менее чем в 50% случаев.

Проводят минимум три повторяющиеся серии низкочастотной стимуляции одного или нескольких выбранных электродов в камере-источнике, состоящие из не менее 60 стимулов на электрод в одной серии. Применяют прямоугольные бифазные импульсы напряжения ±800 мВ, длительностью 260 мкс на фазу, первая положительная с интервалом между стимулами 3 с. Первую стимулирующую серию исключают из анализа, потому что в течение первой стимуляции происходит адаптация нейронной сети к электрическим стимулам. Две последующие серии (вторая и третья) используют для оценки спонтанных изменений на основе различия ответов на стимулы в этих сериях.

Затем осуществляют стимуляцию высокочастотными электрическими импульсами двух участков нейрональных клеток на основе правила зависящей от времени импульса синоптической пластичности, при которой импульс направляется по аксонам в микроканалах от популяции-источника в популяцию-приемник. Для стимуляции выбирают 4 пары микроэлектродов в камерах для тел клеток в непосредственной близости к началу и концу каналов. На четыре электрода в камере-источнике, расположенных в непосредственной близости к микроканалам, подают стимулы от первого канала стимулятора. На соответствующие четыре электрода в камере-приемнике, расположенных в непосредственной близости к тем же микроканалам с другой стороны, подают стимулы от второго канала стимулятора. В программе на управляющем компьютере формируют протокол стимуляции через два канала таким образом, чтобы стимулы от второго стимулирующего канала подавались после стимулов с первого канала с задержкой, соответствующей правилу STDP для культивируемых нервных клеток. В данном случае используют культуры клеток гиппокампа, содержащие около 80% возбуждающих и 20% тормозных нейронов. Для таких культур применяют правило STDP для возбуждающих клеток гиппокампа, а именно стимуляцию пре- и постсинаптических нейронов с задержкой, равной 10 мс. На каждый вход подают серию из 20 стимулов с интервалом 100 мс, повторяющуюся 150 раз с интервалом 6 с.

После стимуляции, направленно действующей на функциональную связь между субпопуляциями нервных клеток, проводят минимум одну серию тестовой стимуляции для оценки вызванных изменений и для оценки эфективности обучения биологической нейронной сети. Анализируют вызванные тестовыми стимулами ответы до и после индуцирующей пластичность стимуляции. Изменение функциональной связи детектируют по изменению набора различных параметров вызванной тестовыми стимулами активности: вероятности и задержки распространения ответа в субпопуляцию-приемник, частотно-временных характеристик вызванных пачек в субпопуляции-приемнике (длительности пачек, суммарном количестве импульсов в пачках и на отдельных электродах) и другие.

Пример 2. Оценка функциональной связи в нейронной сети по характеристикам спонтанной активности.

На микроэлектродной матрице, совмещенной с двухкамерным микрожидкостным силиконовым чипом с 8 микроканалами, культивируют диссоциированные нейрональные клетки гипокампа 18-дневных эмбрионов мышей в виде двух популяций, связанных аксонами.

После трех недель развития клеток проводят эксперимент по обучению биологической нейронной сети в условиях, необходимых для поддержания жизнеспособности культур, при 5% концентрации СО₂ воздухе и температуре 37°С.

Предварительно оценивают вероятность распространения спонтанных пачек в заданном направлении из камеры-источника в камеру-приемник для данной культуры. Для этого спонтанную активность регистрируют в течение 10 мин. Записанные данные анализируют в авторской программе Meaman и определяют процент пачек, распространяющихся от камеры-источника в камеру-приемник. Если процент переданных спонтанных пачек импульсов в заданном направлении превышает 30% и при этом спонтанные пачки импульсов распространяются в противоположном направлении в 5 раз реже и более, то такую культуру принимают в эксперимент.

Для оценки исходного состояния функциональной связи в нейронной сети проводят регистрацию спонтанной активности культуры нервных клеток в течение трех часов.

Затем осуществляют стимуляцию высокочастотными электрическими импульсами двух участков нейрональных клеток на основе правила зависящей от времени импульса синоптической пластичности, при которой импульс направляется по аксонам в микроканалах от популяции-источника в популяцию-приемник. Применяют прямоугольные бифазные импульсы напряжения ±800 мВ, длительностью 260 мкс на фазу, первая положительная. Для стимуляции выбирают 4 пары микроэлектродов в камерах для тел клеток в непосредственной близости к началу и концу каналов. На четыре электрода в камере-источнике, расположенных в непосредственной близости к микроканалам, подают стимулы от первого канала стимулятора. На соответствующие четыре электрода в камере-приемнике, расположенных в непосредственной близости к тем же микроканалам с другой стороны, подают стимулы от второго канала стимулятора. В программе на управляющем компьютере формируют протокол стимуляции через два канала таким образом, чтобы стимулы от второго стимулирующего канала подавались после стимулов с первого канала с задержкой, соответствующей правилу STDP для культивируемых нервных клеток. В данном случае используют культуры клеток гиппокампа, содержащие около 80% возбуждающих и 20% тормозных нейронов. Для таких культур применяют правило STDP для возбуждающих клеток гиппокампа, а именно стимуляцию пре- и постсинаптических нейронов с задержкой, равной 10 мс. На каждый вход подают серию из 20 стимулов с интервалом 100 мс, повторяющуюся 150 раз с интервалом 6 с.

После стимуляции, направленно действующей на функциональную связь между субпопуляциями нервных клеток, проводят регистрацию активности сети для оценки вызванных изменений и для оценки эфективности обучения биологической нейронной сети в течение 1 часа сразу после стимуляции. Записанные данные анализируют после окончания эксперимента в авторской программе Meaman. Данные по спонтанной активности разделяют на 20 мин интервалы. Для оценки изменений анализируют час до и час после стимуляции, разделенные на 20 мин интервалы зарегистрированных данных. Первые два часа записи спонтанной активности используют для оценки стабильности анализируемых параметров. Изменение функциональной связи детектируют по изменению набора различных параметров спонтанной активности: вероятности и временной задержки передачи сетевых пачек между субпопуляциями, частоты импульсов на отдельных участках нейронной сети субпопуляции-приемнике, частотно-временных характеристик спонтанных пачек в субпопуляции-приемнике (длительности пачек, количестве импульсов в пачках) и другие.

В представленном примере 1 наблюдалось увеличение вероятности распространения ответа в субпопуляцию-приемник и увеличение количества импульсов в вызванных ответах (в интервале 20-500 мс после стимула на всех регистрирующих электродах). Эти результаты говорят о направленном усилении функциональной связи в культуре диссоциированных клеток. Для культуры с эффектом потенцирования после высокочастотной стимуляции для одного из стимулирующих электродов вероятность распространения ответа в субпопуляцию-приемник в двух контрольных сериях стимуляции и после высокочастотной стимуляции составила 90,2%, 83,7% и 96,7% соответственно. Таким образом, спонтанное колебание вероятности распространения ответа в субпопуляцию-приемник составило 7,3% (разница между значениями вероятности распространения ответа в субпопуляцию-приемник в третьей и второй контрольной стимуляции). Индуцированное изменение было более значительным - 15,5% (разница между значениями вероятности распространения ответа в субпопуляцию-приемник после высокочастотной стимуляции и в третьей контрольной стимуляции). Количество импульсов в вызванных ответах в двух контрольных сериях стимуляции и после высокочастотной стимуляции составило 51,4±15,5; 51,6±14,0 и 71,8±25,0 соответственно (среднее ± среднеквадратическое отклонение).

В представленном примере 2 наблюдалось увеличение вероятности передачи спонтанных сетевых пачек из популяции источника в популяцию приемник. Для культуры с эффектом потенцирования после высокочастотной стимуляции вероятность передачи спонтанных сетевых пачек из популяции источника в популяцию приемник в двух 20 мин интервалах зарегистрированных данных до стимуляции и 20 мин записи после высокочастотной стимуляции составила 29,9%, 23,2% и 32,0% соответственно. Таким образом, спонтанное колебание вероятности передачи спонтанных сетевых пачек из популяции источника в популяцию приемник составило 22,4% (разница между значениями вероятности передачи спонтанных сетевых пачек из популяции источника в популяцию приемник в двух 20 мин интервалах зарегистрированных данных до стимуляции). Индуцированное изменение было весьма значительным - 37,9% (разница между значениями вероятности передачи спонтанных сетевых пачек из популяции источника в популяцию приемник 20 мин интервалах зарегистрированных данных до и после стимуляции).

Способ направленного обучения биологической нейронной сети (в эксперименте), включающий использование микроэлектродной матрицы для выращивания культуры диссоциированных нейрональных клеток, стимуляцию высокочастотными электрическими импульсами двух участков нейрональных клеток на основе правила зависящей от времени импульса синаптической пластичности и оценку эффективности обучения биологической нейронной сети, отличающийся тем, что используют микроэлектродную матрицу, совмещенную с двукамерным микрожидкостным чипом, содержащим микроканалы для культивирования двух связанных аксонами популяций диссоциированных нейрональных клеток, осуществляют стимуляцию высокочастотными электрическими импульсами двух участков нейрональных клеток на основе правила зависящей от времени импульса синаптической пластичности, при которой импульс направляется по аксонам в микроканалах от популяции-источника в популяцию-приемник, стимулируют участки нейронной сети, соответствующие расположению пре- и постсинаптических нейронов в сконструированной связи, оценку эффективности обучения биологической нейронной сети проводят по прямому показателю заданной функциональной связи и косвенным показателям.