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研究人员创造了最逼真、最复杂的脑细胞计算机模型

作者:Magigen

全美最佳综合医院之一的西达赛奈的研究人员创造了最逼真、最复杂的单个脑细胞计算机模型;数量空前。近日,他们的研究发表在《细胞报告》杂志上。文章详细介绍了这些模型将如何回答有关神经系统疾病的问题、人类的智力的问题,这是不可能通过生物实验来探索的。

这些模型能捕捉神经元为了相互交流而发出的电信号的形状、时间和速度,这些被认为是大脑功能的基础。这让我们能够在单细胞水平上复制大脑活动。

该模型首次将不同类型实验室实验的数据集结合起来,以呈现单个神经元的电、遗传和生物活动的完整画面。这些模型可以用来测试那些需要在实验室进行数十次实验的理论。

“想象一下,你想研究50种不同的基因如何影响细胞的生物过程,”西达赛奈神经外科系研究科学家阿纳斯塔苏说。“你需要创建一个单独的实验来敲除每个基因,看看会发生什么。通过我们的计算模型,我们将能够改变这些基因标记的配方,以获得我们想要的任意多个基因,并预测会发生什么。”

模型的另一个优点是,它们允许研究人员完全控制实验条件。这为确定一个参数(如神经元表达的蛋白质)导致细胞变化或疾病状态(如癫痫发作)提供了可能性。在实验室里,调查人员通常可以证明两者之间存在关联,但很难证明原因。

“在实验室实验中,研究人员并不能控制一切,”阿纳斯塔苏说。“生物学控制很多。但在计算模拟中,所有参数都在创造者的控制下。在模型中,我可以改变一个参数,看看它如何影响另一个参数。这在生物学实验中是很难做到的。”

为了建立他们的模型,阿纳斯塔西奥和他的团队使用了老鼠初级视觉皮层的两组不同数据,这是大脑中处理来自眼睛的信息的区域。

第一组数据显示了成千上万个单细胞的完整遗传图像。第二项研究将来自同一大脑区域的230个细胞的电反应和物理特性联系起来。研究人员使用机器学习来整合这两个数据集,并创建9200个单神经元及其电活动的生物现实模型。

这项工作代表了高性能计算领域的重大进步,它还使研究人员能够搜索细胞类型内部和之间的关系,并对大脑中细胞类型的功能有更深入的了解。

这项研究是与西雅图艾伦脑科学研究所合作进行的,该研究所也提供了数据。

西达赛奈致力于将数学、统计学和计算机科学与技术结合起来,以解决生物医学研究和医疗保健中的所有重要问题,这项由阿纳斯塔苏博士领导的工作与西达赛奈非常吻合。这一计算方向将帮助我们理解人脑最深层的奥秘。

阿纳斯塔苏博士和他的团队下一步将致力于创建人类细胞的计算模型,以研究人类的大脑功能和疾病。


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