Rattengehirn rekonstruiert in einem Computer

Wissenschaftler haben ein Stück der juvenilen Rattengehirn Digital neu — einschließlich 31.000 Gehirnzellen von 207 verschiedene Arten, mit 37 Millionen Anschlüsse.

Das computersimulierte Gehirn erreichen gehört das Blue Brain Project, dessen Ziel es ist, einem Rattengehirn und schließlich auch ein menschliches Gehirn in einem Computer zu erstellen.

Obwohl die neue Simulation nur einen winzigen Splitter erschafft die Ratte Gehirn, das Ergebnis scheint, einige der grundlegenden Verhalten der Neuronen zu erfassen, und hat sogar vorausgesagt, Gehirn-Verhalten, das nicht vor gefunden worden, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift Cell Donnerstag (Okt. 8). [Siehe Bilder von digitalen Rattengehirn]

Sammeln von Daten

Das Team führte zunächst Tausende von Experimenten in live jungen Ratten, mühsam Katalogisierung der Arten von Neuronen und Synapsen oder Gehirn Zelle Verbindungen. Nachdem gerade das Abfeuern von der Ratte Gehirnzellen, die Forscher abgeleitet Prinzipien, die bestimmt, wie die Gehirnzellen angeordnet waren.

Noch bedeckt diese Experimente nur einen winzigen Bruchteil der Verbindungen in dieser Hirnregion, genannt den Neocortex. Um den Rest des Bildes auszufüllen, das Team verwendet ein Computer-Programm, alle vorhandenen Literatur für andere Daten wie suchen Neuronen in der Großhirnrinde-Funktion.

"Wir können es nicht — und nicht — alles, Messen" Studienautor Henry Markram, Direktor des Blue Brain Project an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in der Schweiz, sagte in einer Erklärung. "Das Gehirn ist eine geordnete Struktur, so sobald Sie anfangen, die Bestellung auf mikroskopischer Ebene zu verstehen, Sie beginnen können, ein Großteil der fehlenden Daten vorherzusagen."

Beschneidung-Verbindungen

Von dort aus verteilen sich die Mannschaft ein 3D Computermodell von Neuronen in ein virtuelles Volume, mit Regeln darüber, wie verschiedene Neuronen erstellt um ihre Platzierung zu führen. Sie schufen Verbindungen oder Synapsen, wo immer diese Neuronen "berührt", vor etwa 600 Millionen Verbindungen zwischen den Neuronen, Koautor der Studie sagte Michael Reimann, Neuroinformatik Forscher an der EPFL. Von dort verwendet sie fünf grundlegende biologischen Regeln für Verbindungen wie bilden diese Verbindungen, so dass 37 Millionen Verbindungen zu beschneiden.

Dann, integriert die Forscher ihre Ergebnisse von Experimenten und anderen Forschungsgruppen zu rekonstruieren, wie diese Verbindungen gearbeitet. Das neue Hirn scheint die Konnektivität gefunden in echte Gewebe studierte unter Elektronenmikroskopen entspricht.

Simulation von Neuronen feuern

Danach war das Team schließlich bereit, virtuelles Gehirn brennen zu sehen. Die Computersimulation Milliarden von Gleichungen für jede 25 Mikrosekunden neuronaler Aktivität gelöst.

Das Team lief "Experimente" auf die virtuelle Rattengehirn, die Experimente an realen Ratten nachgeahmt.

Die digitale Neuronen schien Verhalten sich genauso wie physische Neuronen im Labor. Zum Beispiel zeigten das in Silico sowohl das biologische Hirngewebe "Triplet" Impulsmuster, wobei drei Neuronen zusammen eine zeitgenaue nacheinander feuern. Die Simulation des Gehirns festgestellt, dass diese Drillinge nur zu bestimmten Zeiten aufgetreten.

Das digitale Hirngewebe zeigte auch "Chorist" Neuronen oder Gehirnzellen, die deren Tätigkeit fest, dass ihre Nachbarzellen synchronisiert wird. Andere Zellen, genannt "Solisten" scheinen unabhängig von ihrer benachbarten Neuronen feuern. [10 Dinge, die Sie nicht über das Gehirn wissen]

Neue Erkenntnisse

Das digitale Rattengehirn Gewebe zeigte auch neue Erkenntnisse, die für biologische Systeme gelten könnte. Zum Beispiel verschoben höhere Kalziumwerte virtuelle Hirngewebe in ein sleeplike Muster, während niedrigere schien das digitale Hirngewebe aufwachen.

"Wenn wir verringert den Kalziumspiegel im wach Tiere angepasst und die Wirkung, dass dies auf die Synapsen, die Schaltung benahm sich asynchron, wie neuronale Schaltkreise in wach Tiere eingeführt", sagte Studienautor Blei Eilif Muller, ein Physiker an der EPFL, in der Anweisung.

Still, die neue Gehirn-Simulation ist nur ein erster Entwurf, sagte Markram. Um eine genauere Darstellung des Gehirns zu erhalten, müssten die Simulation anderer Arten von Gehirnzellen, wie Glia sowie Blutgefäße enthalten. Das virtuelle Gehirn enthält auch nur direkte Kommunikation zwischen den einzelnen Gehirnzellen, aber eine realistischere Simulation Neuromodulation, in der frei schwebenden Gehirnchemikalien das Verhalten der großen Schwaden von Neuronen in einem Rutsch optimieren die Forscher sagten entfallen würde.

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