به کمک علوم اعصاب محاسباتی؛

محققان دانشگاه امیرکبیر رفتار جمعی نورون‌های مغز را بررسی کردند

محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر هم آوایی در شبکه نورونی آشوبی با کوپلینگ چند گانه را مورد بررسی قرار دادند که از نتایج آن در علوم اعصاب و علوم محاسباتی استفاده می‌شود.

کد خبر: ۹۳۶۰۴۶

شنبه - ۰۱ خرداد ۱۴۰۰ / May 22, 2021

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو به نقل از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، شیرین پناهی دانش‎‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر و مجری طرح «هم آوایی در شبکه نورونی آشوبی با کوپلینگ چند گانه» گفت: دستگاه عصبی مرکزی انسان و توانایی‌های آن همواره موجب شگفتی محققان بوده است.

وی افزود: بسیاری از محققین تمام مدت زندگی خود را وقف مطالعه در مورد این عضو شگفت‌انگیز و توانایی‌های آن کرده‌اند. یکی از زمینه‌های تحقیقاتی مهم در مهندسی پزشکی علوم اعصاب محاسباتی است که با استفاده از مدل‌های محاسباتی با تکیه بر مبانی فیزیولوژی، به توصیفی واقع‌گرایانه از عملکرد مغز به‌عنوان شبکه‌ای پیچیده می‌پردازد.

پناهی ادامه داد: جذابیت پیشرفت فرآیند‌های نظری در این حوزه از آن‌ جهت است که تلاش بر ارائه الگو‌های عملکرد مغز و شناخت هر چه بیشتر آن دارد. به کمک علوم اعصاب محاسباتی، فرصتی برای تحلیل مکانیزم‌هایی که هنوز اعتبارسنجی تجربی آن‌ها ممکن نیست، به وجود می‌آید.

وی افزود: انواع رفتار جمعی نورون‌ها با برخی از عملکرد‌های مغزی و یا برخی اختلالات عصبی در ارتباط است به همین دلیل در این تحقیق بر روی این رفتار‌های جمعی، تمرکز کرده‌ایم و مکانیزم‌های تحلیل آن‌ها و ابزار‌های کمی سازی تغییرات کیفی کار را مورد بررسی قرار دادیم.

محقق دانشگاه صنعتی امیر کبیر اظهار کرد: یکی از فرضیه‌های مهم پذیرفته شده، این است که هم‌آوایی یکی از علت‌های احتمالی مکانیسم‌های ارتباطی در سیستم عصبی است. به‌ طوری‌که این پدیده مسئول عملکرد و یا اختلال در پردازش‌های حرکتی، شناختی و حافظه در انسان شناخته می‌شود.

وی اظهار کرد: مطالعه پدیده هم‌آوایی علاوه بر علوم اعصاب در بسیاری از زمینه‌های علمی و فناوری کاربرد‌های متنوعی دارد؛ بنابراین شناخت و بررسی هر چه‌بهتر این پدیده می‌تواند راهنمای مناسبی برای یافتن اصول سازمان‌دهی شبکه‌های پیچیده در دنیای واقعی (مانند مغز) و یا طراحی شبکه‌های مصنوعی با بازده بالا باشد.

وی با اشاره به روند انجام کار بیان کرد: در این پروژه، موضوع گسترده هم‌آوایی در شبکه‌های پویای زیستی، به خصوص شبکه‌های نورونی، در دو گام اصلی مورد بررسی قرارگرفته است در ابتدا هم‌آوایی در شبکه‌های متشکل از مدل‌های محاسباتی نورونی و نوسانگر‌های متعامل آشوبی را مورد بررسی قرار دادیم و سپس هم‌آوایی در شبکه‌های ناهمسان توسط تجزیه‌وتحلیل همگرایی در ویژگی‌های فرکانس، زاویه و دامنه سری زمانی سیگنال عصبی را ارزیابی کردیم.

وی با بیان اینکه در این پروژه روشی ساده و جدید برای محاسبه MSF با کاهش پیچیدگی محاسباتی ارائه شد؛ افزود: همچنین طی این پروسه به بررسی میزان تمایل به هم‌آوایی در این شبکه‌ها پرداختیم.

پناهی با اشاره به نتیجه این تحقیقات گفت: هم‌آوایی در شبکه‌های همسان تحت تأثیر سه عامل دینامیک هر سیستم به‌ صورت تکی، معماری کلی یا ساختار شبکه و همچنین نوع و قدرت ضریب کوپلینگ شبکه است. معماری کلی یا ساختار شبکه، یکی از عوامل تأثیرگذار بر هم‌آوایی در شبکه‌های پیچیده شناخته می‌شود.

به گفته وی، در این پروژه، نتایج بخش دیگری نشان داد که افزایش ضریب کوپلینگ شیمیایی و هم ضریب کوپلینگ میدان باعث افزایش قابلیت هم‌آوایی شبکه می‌شود، اما محدودیتی در افزایش ضریب کوپلینگ شیمیایی و میدان و جود دارد. زیرا شبکه علاوه بر بروز رفتار هم‌آوایی قابلیت بروز رفتار مرگ اسیلاتوری نیز دارد. به‌ طوری‌که اگر ضریب کوپلینگ شیمیایی و یا میدان بیشتر از مقدار آستانه افزایش یابند، شبکه کارکرد خود را ازدست‌داده و دچار مرگ اسیلاتوری می‌شود.

محقق دانشگاه امیرکبیر ادامه داد: در رویکرد دوم هم‌آوایی در شبکه‌های نورونی، به بررسی هم‌آوایی در شبکه‌های ناهمسان توسط تجزیه‌وتحلیل همگرایی در ویژگی‌های فرکانس، زاویه و دامنه سری زمانی سیگنال عصبی را مورد بررسی قرار دادیم و در گام دیگر به‌مرور روش‌های مرسوم در حوزه سنجش هم‌آوایی در شبکه‌های ناهمسان نورونی پرداختیم.

وی تصریح کرد: سپس با بررسی علل ناکارآمدی روش‌های مرسوم در سنجش هم‌آوایی سیستم‌های پیچیده زیستی، روشی جدید با تکیه بر الگوی رفتاری نوسانگر‌های شبکه ارائه کردیم که بررسی نتایج حاصل از این بخش نیز مشخص کرد، روش پیشنهادی هم‌آوایی رفتاری، بهتر از دو روش دیگر قادر به تشخیص هم‌آوایی در شبکه ناهمسان زیستی است.

وی ادامه داد: همچنین در این بخش اثر سازگاری ساختاری نوسانگر‌های مختلف شبکه ناهمسان بر هم‌آوایی موردبررسی قرار گرفت. نبود پردازنده‌های قوی برای برنامه‌نویسی واجرا شبیه‌سازی‌های این پروژه مسیر پژوهش را با سختی‌های بسیاری همراه کرده بود از پیچیدگی‌های این پروژه بودند.

وی در خصوص نتایج این پروژه خاطرنشان کرد: کاربرد نتایج این تحقیق و روش ارائه شده در زمینه دانش علوم اعصاب و علوم محاسباتی است. به طور کلی، مطالعه پدیده هم‌آوایی علاوه بر علوم اعصاب در زمینه‌های پزشکی نیز می‌تواند کاربردی باشد.

گفتنی است؛ استاد راهنمای این پروژه سجاد جعفری عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر بوده است.