Modele komputerowe mogą być kolejnym krokiem w odkodowaniu mózgu

By Mary Brophy Marcus

Sept. 16, 2022 - Przez cały dzień komórki mózgowe wysyłają i odbierają wiadomości za pomocą sygnałów elektrycznych i chemicznych. Te wiadomości pomagają Ci wykonywać takie czynności jak poruszanie mięśniami i używanie zmysłów - jak smakowanie jedzenia, odczuwanie ciepła płynącego z pieca lub czytanie słów na tej stronie.

Gdybyśmy mogli lepiej zrozumieć, w jaki sposób te wiadomości są wysyłane i odbierane, zyskalibyśmy potężny wgląd w połączenie mózg-ciało i rzucili światło na to, co dzieje się, gdy te połączenia nie działają - jak w przypadku chorób mózgu, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona.

W tym celu neuronaukowcy z Cedars-Sinai w Los Angeles zbudowali komputerowe modele poszczególnych komórek mózgowych - jak twierdzą, najbardziej złożone z dotychczasowych. Wykorzystując wysokowydajne obliczenia i sztuczną inteligencję (AI), modele te, opisane w czasopiśmie Cell Reports, oddają kształt, czas i prędkość sygnałów elektrycznych wysyłanych przez komórki mózgowe zwane neuronami.

Nowe badania są częścią trwającego od dziesięcioleci dążenia naukowców do zrozumienia wewnętrznego funkcjonowania mózgu, nie tylko pod względem poznawczym, ale także biologicznym, genetycznym i elektrycznym.

Najbardziej znanymi wczesnymi badaczami byli Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley i John Carew Eccles, którzy w 1963 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny za swoje odkrycia dotyczące błon komórek nerwowych.

"Dziś jest wyjątkowy moment, w którym szczegółowe zestawy danych dotyczących pojedynczych neuronów są dostępne w dużych ilościach i dla wielu komórek" - mówi autor badania, dr Costas Anastassiou, naukowiec z Wydziału Neurochirurgii w Cedars-Sinai. "Rozmiar i szybkość dzisiejszych komputerów pozwala nam badać [szczegółowe] mechanizmy na poziomie pojedynczych komórek - dla każdej komórki".

Jak modeluje się aktywność komórek mózgowych za pomocą komputera?

Okazuje się, że impulsy elektryczne, których neurony używają do komunikacji, mogą być replikowane za pomocą kodu komputerowego.

"Odtworzyliśmy wyraźne przebiegi napięcia i trajektorie czasowe tych impulsów za pomocą równań matematycznych" - mówi Anastassiou. Następnie zbudowali modele komputerowe wykorzystując zestawy danych z eksperymentów na myszach.

Eksperymenty te mierzą pewne rzeczy w komórkach - jak ich rozmiar, kształt i strukturę lub jak reagują na zmiany. Każdy model komórki łączy wszystkie te elementy i może pomóc ujawnić, jak się one łączą.

Modele komputerowe mogą pogodzić dwie krytyczne informacje: skład komórkowy (bloki konstrukcyjne komórek mózgowych) i wzory obserwowane podczas aktywności mózgu. Z pomocą komputera powiązania między zestawami danych stają się jasne. To może pomóc utorować drogę do odkrycia, co faktycznie powoduje zmiany w mózgu, mówią badacze - kluczowy krok, gdy patrzy się na zaburzenia.

Co komputery mogą nam powiedzieć o ludzkim mózgu?

Jednym z ekscytujących potencjalnych zastosowań modeli komórek mózgowych byłoby testowanie wszelkiego rodzaju teorii dotyczących zaburzeń mózgu, które byłyby trudne lub niemożliwe do stworzenia poprzez eksperymenty w laboratorium. Poza tym, praca może doprowadzić do nowych wniosków na temat mózgu: jak podobne lub różne są komórki mózgowe, co je łączy lub różni i co to oznacza w całym spektrum właściwości.

Komputery i matematyka opowiadają historie o mózgu, a Anastassiou mówi, że dla niego fascynacja wynika z prostoty wyniku i bogactwa ich oddziaływań.

"Zawsze fascynowało mnie pytanie o to, jak równania matematyczne reprezentują żywe, obliczeniowe, biologiczne komórki - szczególnie dotyczy to mózgu, epicentrum tego, co czyni nas ludźmi" - mówi.