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

Владение смартфоном снижает навыки чтения у детей 3–6 классов – исследование UCLA

Владение смартфоном снижает навыки чтения у детей 3–6 классов – исследование UCLA

Следы возрастом 1,43 млн лет у озера Туркана рассказали о предках человека ростом 180 см

Следы возрастом 1,43 млн лет у озера Туркана рассказали о предках человека ростом 180 см

Китайские ученые создали сверхпрочный сплав, выдерживающий нагрев до 2400 °C

Китайские ученые создали сверхпрочный сплав, выдерживающий нагрев до 2400 °C

Медицинские технологии, в которые почти невозможно поверить

Медицинские технологии, в которые почти невозможно поверить

Траектория старения: в ННГУ научились прогнозировать возрастные изменения у конкретного человека

Траектория старения: в ННГУ научились прогнозировать возрастные изменения у конкретного человека

Ученые МИСИС создали наночастицы с защитой от перегрева для терапии рака

Ученые МИСИС создали наночастицы с защитой от перегрева для терапии рака

Физики раскрыли загадку «лишнего» гамма-излучения атомных ядер, над которой бились десятилетиями

Физики раскрыли загадку «лишнего» гамма-излучения атомных ядер, над которой бились десятилетиями

Ученые выяснили, что многолетние финансовые трудности могут ускорять старение мозга

Ученые выяснили, что многолетние финансовые трудности могут ускорять старение мозга

Рождение GEO: как бренды платят миллионы, чтобы их советовал ИИ

Рождение GEO: как бренды платят миллионы, чтобы их советовал ИИ

Робот МФТИ установил рекорд сборки головоломки «мегаминкс» за 9,6 секунды

Робот МФТИ установил рекорд сборки головоломки «мегаминкс» за 9,6 секунды

Бензин как лотерея: станут ли гибриды и электромобили популярным выбором россиян?

Бензин как лотерея: станут ли гибриды и электромобили популярным выбором россиян?

7 удивительных фактов о черных дырах, которые меняют наше представление о Вселенной

7 удивительных фактов о черных дырах, которые меняют наше представление о Вселенной

22-тонный КАМАЗ-1010 «обманывает» законы физики в карельских лесах

22-тонный КАМАЗ-1010 «обманывает» законы физики в карельских лесах

ChatGPT заблокировал запросы на имитацию стиля известных писателей

ChatGPT заблокировал запросы на имитацию стиля известных писателей

Ученые предложили новый способ искать разумную жизнь во Вселенной — без поиска технологий

Ученые предложили новый способ искать разумную жизнь во Вселенной — без поиска технологий

«Умный пластырь» определяет сахар в крови через пот за пять секунд

«Умный пластырь» определяет сахар в крови через пот за пять секунд