逼真模型再現(xiàn)單神經(jīng)元微觀活動(dòng)

美國西達(dá)賽奈醫(yī)學(xué)中心研究人員創(chuàng)建了一種極為逼真且詳細(xì)的腦細(xì)胞計(jì)算機(jī)模型，將來自不同類型實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)集結(jié)合在一起，呈現(xiàn)了單個(gè)神經(jīng)元的電、遺傳和生物活動(dòng)的完整圖景。相關(guān)論文發(fā)表在同行評議期刊《細(xì)胞報(bào)告》上，該模型有助于回答有關(guān)神經(jīng)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(shí)驗(yàn)來獲得答案。

“這些模型捕捉了神經(jīng)元為了相互交流而發(fā)出的電信號的形狀、時(shí)間和速度，這被認(rèn)為是大腦功能的基礎(chǔ)，讓我們可以在單細(xì)胞水平上復(fù)制大腦活動(dòng)?！闭撐馁Y深作者、西達(dá)賽奈醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)外科研究科學(xué)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(shù)十個(gè)實(shí)驗(yàn)才能檢驗(yàn)的理論。“假如你想研究50種不同的基因如何影響細(xì)胞的生物學(xué)過程，你需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)來‘敲除每一個(gè)基因，看看會(huì)發(fā)生什么。有了我們的計(jì)算模型，就能夠更改目標(biāo)基因標(biāo)記的參數(shù)，并加以預(yù)測?！?/p>

這些模型的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它能讓研究人員完全控制實(shí)驗(yàn)條件。這為確定一個(gè)參數(shù)，如神經(jīng)元表達(dá)的蛋白質(zhì)，導(dǎo)致細(xì)胞變化或癲癇發(fā)作等疾病狀況提供了可能。而在實(shí)驗(yàn)室里，研究人員通?？梢宰C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(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，研究人員并不能控制一切。在新模型中，可改變一個(gè)參數(shù)，并觀察它如何影響另一個(gè)參數(shù)，這在生物實(shí)驗(yàn)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(zhì)（大腦中處理來自眼睛信息的區(qū)域）的兩組不同的數(shù)據(jù)。

第一個(gè)數(shù)據(jù)集展示了數(shù)萬個(gè)單細(xì)胞的完整基因圖片。第二個(gè)將來自同一腦區(qū)的230個(gè)細(xì)胞的電反應(yīng)和物理特征聯(lián)系在一起。研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)來整合這兩個(gè)數(shù)據(jù)集，創(chuàng)建了9200個(gè)神經(jīng)元及其電活動(dòng)的生物逼真模型。

研究人員表示，這一模型代表著高性能計(jì)算的重大進(jìn)步，使科研人員能夠搜索細(xì)胞內(nèi)部和之間的關(guān)系，對大腦中不同細(xì)胞類型的功能有更深入的了解。

下一步，團(tuán)隊(duì)將致力于創(chuàng)建人類腦細(xì)胞的計(jì)算模型，以研究相關(guān)功能和疾病，幫助人們了解人腦最深處的奧秘。

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(fù)雜，數(shù)十億個(gè)神經(jīng)元互相連接；它如此強(qiáng)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(fù)雜的單個(gè)腦細(xì)胞計(jì)算機(jī)模型，在單細(xì)胞水平上復(fù)制大腦活動(dòng)。令人振奮的是，用它可以做實(shí)驗(yàn)室里做不了的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行復(fù)雜的測試，精確控制變量，探索不同的細(xì)胞與細(xì)胞之間的關(guān)系，或許還能幫助科研人員更高效快速地進(jìn)一步揭開大腦的神秘面紗。