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

Смоделирован квантовый механизм передачи информации в клетке

Смоделирован квантовый механизм передачи информации в клетке

Размер кристалла помог предсказать магнитные свойства сложных материалов

Размер кристалла помог предсказать магнитные свойства сложных материалов

Физики создали трехмерный свет и получили квантовые состояния, ранее доступные только в теории

Физики создали трехмерный свет и получили квантовые состояния, ранее доступные только в теории

Животные могли населить Землю на 200 миллионов лет раньше

Животные могли населить Землю на 200 миллионов лет раньше

Ученые воссоздали лицо Homo sapiens возрастом 315 000 лет

Ученые воссоздали лицо Homo sapiens возрастом 315 000 лет

Ученые открыли сверхпроводник I типа, нарушающий симметрию обращения времени

Ученые открыли сверхпроводник I типа, нарушающий симметрию обращения времени

Сверхчувствительный сенсор сделает раннюю диагностику болезней Паркинсона и Альцгеймера

Сверхчувствительный сенсор сделает раннюю диагностику болезней Паркинсона и Альцгеймера

В Китае обнаружен динозавр микрорапторин, меняющий теорию эволюции полета

В Китае обнаружен динозавр микрорапторин, меняющий теорию эволюции полета

Из лабораторий — на работу: 7 компаний, создающих человекоподобных роботов для реального мира

Из лабораторий — на работу: 7 компаний, создающих человекоподобных роботов для реального мира

Почему роботы умеют делать сальто, но до сих пор не могут нормально сложить рубашку

Почему роботы умеют делать сальто, но до сих пор не могут нормально сложить рубашку

Почему невозможно создать абсолютно точную карту Земли, Луны или Марса?

Почему невозможно создать абсолютно точную карту Земли, Луны или Марса?

Первый складной iPhone не стал революцией: с чем придется мириться владельцам iPhone Duo

Первый складной iPhone не стал революцией: с чем придется мириться владельцам iPhone Duo

Ученые МФТИ создали нейросеть по принципу мозжечка

Ученые МФТИ создали нейросеть по принципу мозжечка

Звезда в трехстах световых годах неспешно поглощает коричневого карлика

Звезда в трехстах световых годах неспешно поглощает коричневого карлика

Физики создали почти идентичные фотоны для будущих квантовых сетей

Физики создали почти идентичные фотоны для будущих квантовых сетей

Астрономы впервые нашли планету, «восставшую из пепла» погибшей звезды

Астрономы впервые нашли планету, «восставшую из пепла» погибшей звезды