Создан цифровой двойник вкусовой системы человека

Ученые из МФТИ и ННГУ имени Лобачевского представили первую в мире многоуровневую компьютерную модель вкусового рецептора человека. Она имитирует весь путь вкуса – от попадания вещества на язык до формирования в мозге уникального «нейронного отпечатка». Разработка позволит создавать электронные устройства, способные «чувствовать» вкус, и поможет разобраться в причинах нарушений вкусового восприятия при различных заболеваниях.

Потеря вкуса – частый симптом неврологических нарушений. Во время пандемии COVID-19 миллионы людей столкнулись с этим явлением: у одних вкус вернулся через несколько недель, у других изменения оказались необратимыми – сладкое стало казаться горьким, а привычные блюда вызывали отвращение. По данным исследований, более 15 миллионов человек во всем мире потеряли вкус и обоняние на длительный срок, а у части пациентов эти ощущения так и не восстановились полностью.

До сих пор медицина не могла точно определить, где именно происходит сбой в системе вкусового восприятия. Новая компьютерная модель позволяет проследить весь путь вкуса: от активации рецепторов на языке до формирования специфического паттерна нервных импульсов в мозге.

Модель может помочь изучить механизмы потери вкуса: это цифровая среда, где можно исследовать любой участок и посмотреть, где возникает ошибка и как она влияет на формирование нейронных паттернов, отметил Сергей Стасенко, ведущий научный сотрудник лаборатории когнитивного моделирования и нейроробототехники МФТИ.

Как устроена модель

На первом уровне цифровой двойник вкусовой системы человека описывает работу вкусовых клеток четырех типов: для сладкого, горького, соленого и кислого. Пятый вкус – умами – ученые временно не учитывали из-за его биохимического сходства со сладким и горьким, чтобы сосредоточиться на различиях между ионотропными (соленое, кислое) и метаботропными (горькое, сладкое) путями.

Сладкий и горький вкус воспринимаются метаботропными рецепторами, где запускается каскад внутриклеточных сигналов, описываемый уравнением Хилла.

Соленый и кислый вкус рассчитываются через уравнение Гольдмана–Ходжкина–Каца, моделирующее движение ионов натрия и водорода через мембрану клетки.

Когда виртуальное вещество с заданной концентрацией попадает на вход модели, рецепторы активируются, мембрана клетки меняет электрический потенциал, и при достижении порога генерируется спайк – короткий электрический импульс. Он преобразуется в бинарный код и передаётся по нейронной сети. Передачу сигнала между нейронами смоделировали через выделение глутамата и фосфорилирование AMPA-рецепторов – процессы, отвечающие за обучение и память в мозге.

Для гибкой настройки параметров модели (количество рецепторов, степень их фосфорилирования и др.) используется генетический алгоритм, имитирующий естественный отбор.

Чтобы ускорить расчеты, ученые применили гибридный подход: на уровне рецепторов использовали строгие биофизические уравнения Ходжкина–Хаксли, а для нейронной сети – более быструю модель Ижикевича. Это позволило повысить вычислительную эффективность без потери биологической точности.

Задачи и перспективы

Модель обучили двум задачам:

  • различать приятность вкуса по оптимальным концентрациям (например, для сладкого – 15 000 условных единиц, для соленого – 100);
  • отличать чистый вкус от смешанного.

В будущем ученые планируют добавить в систему обоняние для изучения формирования целостного ощущения вкуса, а также ввести тормозные нейроны, обратные связи и углубить внутриклеточную сигнализацию для более точного описания работы рецепторов.

Новая модель станет основой для энергоэффективных нейроморфных сенсоров вкуса, которые смогут анализировать продукты в реальном времени для пищевой промышленности. В медицине она поможет понять механизмы нарушений вкусового восприятия при различных заболеваниях и изучить, как мозг кодирует информацию о вкусе.

Результаты исследования опубликованы в журнале Brain Sciences.

 

Читайте также

Ученых шокировала змея, охотящаяся с помощью фальшивого паука на хвосте

Ученых шокировала змея, охотящаяся с помощью фальшивого паука на хвосте

Стартап Hylenr Technologies заявил об обнаружении 32 элементов после эксперимента с ядерным синтезом

Стартап Hylenr Technologies заявил об обнаружении 32 элементов после эксперимента с ядерным синтезом

ООН предупредила: глобальное потепление вскоре превысит критический порог в 1,5 °C

ООН предупредила: глобальное потепление вскоре превысит критический порог в 1,5 °C

Фотон от мощнейшего космического взрыва мог указать на нарушение законов Эйнштейна

Фотон от мощнейшего космического взрыва мог указать на нарушение законов Эйнштейна

Глубоководная рыба умеет ходить по дну задом наперед

Глубоководная рыба умеет ходить по дну задом наперед

Археологи раскрыли истинные причины каннибализма в неолитической Европе

Археологи раскрыли истинные причины каннибализма в неолитической Европе

Ученые выяснили, почему воспоминания не исчезают даже при потере связей в мозге

Ученые выяснили, почему воспоминания не исчезают даже при потере связей в мозге

ИИ OpenAI заявил о решении одной из семи задач тысячелетия

ИИ OpenAI заявил о решении одной из семи задач тысячелетия

15 технологий древности, которыми человечество пользуется до сих пор

15 технологий древности, которыми человечество пользуется до сих пор

Состоялся запуск новейшего космического телескопа NASA

Состоялся запуск новейшего космического телескопа NASA

Семь самых больших машин в истории: гиганты весом в тысячи тонн и длиной в километры

Семь самых больших машин в истории: гиганты весом в тысячи тонн и длиной в километры

20 лет назад Плутон перестал быть планетой — почему с этим до сих пор не все согласны?

20 лет назад Плутон перестал быть планетой — почему с этим до сих пор не все согласны?

Два частных спутника сблизились на расстояние всего 200 метров на орбите

Два частных спутника сблизились на расстояние всего 200 метров на орбите

В США создали квантовый датчик, потребляющий всего 5 милливатт

В США создали квантовый датчик, потребляющий всего 5 милливатт

Солнце могло поглотить суперземлю в несколько раз массивнее Земли

Солнце могло поглотить суперземлю в несколько раз массивнее Земли

Открыт новый вид льда, способный объяснить тайны Нептуна и Урана

Открыт новый вид льда, способный объяснить тайны Нептуна и Урана