Российские ученые создали первый в мире цифровой язык, имитирующий работу вкусовых рецепторов

В МФТИ создали первого в мире цифрового двойника вкусовой системы

Первого в мире цифрового двойника вкусовой системы человека создали специалисты МФТИ и ННГУ имени Лобачевского. Разработка представляет собой компьютерную модель вкусового рецептора, которая имитирует его работу: от момента попадания вещества на язык до формирования в мозге «нейронного отпечатка». И нужна она не для замены нашего языка, а для понимания механизма потери вкуса при вирусных инфекциях и неврологических заболеваниях. Исследование опубликовано в международном журнале Brain Sciences.

Потеря вкуса — частый симптом неврологических нарушений. Этот симптом стал весьма распространен в 2020 году, когда мир столкнулся с коронавирусом – более 15 миллионов человек, по данным, которые приводит МФТИ, за время пандемии потеряли вкус и обоняние. К одним это качество вернулось через пару недель, а у некоторых вкус до сих пор не восстановился — сладкое по-прежнему «горчит», а привычные ранее блюда вызывают отвращение.

Самое интересно, что современная медицина до сих пор не знает, как именно в организме происходит нарушение работы рецепторов.

Чтобы понять это, ученые создали многоуровневую цифровую модель вкусовой системы, которая выстраивает весь «путь вкуса»: от момента попадания пищевого продукта на язык до формирования в мозге специфического паттерна (портрета) нервных импульсов для каждого вкуса.

На первом уровне компьютерная модель описывает вкусовые клетки четырех типов: для сладкого, горького, соленого и кислого. Несмотря на то что существует еще и пятый вкус – умами, его ученые сознательно обошли стороной из-за биохимического сходства со сладким и горьким. Это позволило им сосредоточиться на принципиальных различиях между соленым и кислым, а также между горьким и сладким. Эти пары вкусов воспринимаются разными рецепторами.

– Когда на вход модели подается виртуальное вещество с заданной концентрацией, рецепторы активируются, и мембрана клетки меняет электрический потенциал, – объясняет ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией когнитивного моделирования и нейроробототехники МФТИ Сергей Стасенко. – Дальше формируется короткий электрический импульс, который превращается в бинарный код и передается дальше по нейронной сети.

По словам ученого, в цифровой модели можно исследовать любой участок прохождения сигнала и посмотреть, где возникает ошибка и как она влияет на формирование нейронных ответов.

Модель прошла обучение на двух задачах. Первая – различать приятность вкуса, вторая – отличать чистый вкус от смешанного.

В планах исследователей – добавить в систему обоняние, чтобы изучать формирование целостного ощущения вкуса. Также ученые планируют ввести в модель функции тормозных нейронов (нервных клеток, которые снижают возбудимость), обратные связи и тем самым углубить внутриклеточную сигнализацию для более точного описания работы рецепторов.

Новая модель поможет лучше понять механизмы нарушений вкусового восприятия при различных заболеваниях и изучить, как мозг кодирует информацию. Она также поможет в реальном времени анализировать продукты перед поступлением их на прилавок.