逼真模型再現單神經元微觀活動

2022/09/02-15:12 來源:科技日報

科技日報北京8月9日電   美國西達賽奈醫(yī)學中心研究人員創(chuàng)建了一種極為逼真且詳細的腦細胞計算機模型,將來自不同類型實驗室的數據集結合在一起,呈現了單個神經元的電、遺傳和生物活動的完整圖景。相關論文發(fā)表在9日的同行評議期刊《細胞報告》上,有助于回答有關神經疾病甚至人類智力方面的問題,而這些問題很難通過生物實驗來獲得答案。

  “這些模型捕捉了神經元為了相互交流而發(fā)出的電信號的形狀、時間和速度,這被認為是大腦功能的基礎,讓我們可以在單細胞水平上復制大腦活動?!闭撐馁Y深作者、西達賽奈醫(yī)學中心神經外科研究科學家科斯塔斯·阿納斯塔西烏博士說,這些模型可用來測試需要數十個實驗才能檢驗的理論?!凹偃缒阆胙芯?0種不同的基因如何影響細胞的生物學過程,你需要創(chuàng)建一個個單獨的實驗來‘敲除’每一個基因,看看會發(fā)生什么。有了我們的計算模型,就能夠更改目標基因標記的參數,并加以預測?!?/span>

  這些模型的另一個優(yōu)點是,它能讓研究人員完全控制實驗條件。這為確定一個參數,如神經元表達的蛋白質,導致細胞變化或癲癇發(fā)作等疾病狀況提供了可能。而在實驗室里,研究人員通常可以證明兩者之間的聯(lián)系,但很難證明原因。

  阿納斯塔西烏表示,在實驗室實驗中,研究人員并不能控制一切。在新模型中,可改變一個參數,并觀察它如何影響另一個參數,這在生物實驗中是很難做到的。

  為了創(chuàng)建他們的模型,研究人員使用了來自小鼠初級視覺皮質(大腦中處理來自眼睛信息的區(qū)域)的兩組不同的數據。

  第一個數據集展示了數萬個單細胞的完整基因圖片。第二個將來自同一腦區(qū)的230個細胞的電反應和物理特征聯(lián)系在一起。研究人員使用機器學習來整合這兩個數據集,創(chuàng)建了9200個神經元及其電活動的生物逼真模型。

  研究人員表示,這一模型代表著高性能計算的重大進步,使科研人員能夠搜索細胞內部和之間的關系,對大腦中不同細胞類型的功能有更深入的了解。

  下一步,團隊將致力于創(chuàng)建人類腦細胞的計算模型,以研究相關功能和疾病,幫助人們了解人腦最深處的奧秘。

 

【總編輯圈點】

  人腦可以讓人類制造出的幾乎所有精密儀器都黯然失色。它非常復雜,數十億個神經元互相連接;它如此強大,以至于人們很難精確闡釋人腦的工作原理。此次,科研人員創(chuàng)造了逼真且復雜的單個腦細胞計算機模型,在單細胞水平上復制大腦活動。令人振奮的是,用它可以做實驗室里做不了的實驗,進行復雜的測試,精確控制變量,探索不同的細胞與細胞之間的關系,或許還能幫助科研人員更高效快速地進一步揭開大腦的神秘面紗。