研究人員創(chuàng)建了最逼真的腦細(xì)胞計(jì)算機(jī)模型

Cedars-Sinai 研究人員已經(jīng)創(chuàng)建了最逼真和最復(fù)雜的單個(gè)腦細(xì)胞計(jì)算機(jī)模型——數(shù)量空前。他們的研究今天發(fā)表在同行評(píng)審期刊Cell Reports上，詳細(xì)介紹了這些模型有朝一日如何回答有關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病甚至人類(lèi)智力的問(wèn)題，而這些問(wèn)題無(wú)法通過(guò)生物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索。

“這些模型捕獲了神經(jīng)元為了相互交流而發(fā)射的電信號(hào)的形狀、時(shí)間和速度，這被認(rèn)為是大腦功能的基礎(chǔ)，”該系研究科學(xué)家 Costas Anastassiou 博士說(shuō)Cedars-Sinai 神經(jīng)外科博士，該研究的高級(jí)作者。“這讓我們可以在單細(xì)胞水平上復(fù)制大腦活動(dòng)。”

這些模型是第一個(gè)結(jié)合來(lái)自不同類(lèi)型實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)集，以呈現(xiàn)單個(gè)神經(jīng)元的電、遺傳和生物活動(dòng)的完整畫(huà)面。Anastassiou 說(shuō)，這些模型可用于測(cè)試需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)十次實(shí)驗(yàn)才能檢驗(yàn)的理論。

“想象一下，你想研究 50 種不同的基因如何影響細(xì)胞的生物過(guò)程，”Anastassiou 說(shuō)。“你需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)來(lái)‘敲除’每個(gè)基因，看看會(huì)發(fā)生什么。通過(guò)我們的計(jì)算模型，我們將能夠?yàn)楸M可能多的基因改變這些基因標(biāo)記的配??方，并預(yù)測(cè)會(huì)發(fā)生什么。”

這些模型的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們?cè)试S研究人員完全控制實(shí)驗(yàn)條件。Anastassiou 說(shuō)，這為確定一個(gè)參數(shù)(例如由神經(jīng)元表達(dá)的蛋白質(zhì))引起細(xì)胞或疾病狀況(例如癲癇發(fā)作)的變化提供了可能性。在實(shí)驗(yàn)室中，調(diào)查人員通常可以顯示一種關(guān)聯(lián)，但很難證明原因。

“在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，研究人員并不能控制一切，”Anastassiou 說(shuō)。“生物學(xué)控制很多。但在計(jì)算模擬中，所有參數(shù)都在創(chuàng)建者的控制之下。在模型中，我可以更改一個(gè)參數(shù)，看看它如何影響另一個(gè)參數(shù)，這在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中很難做到。”

為了創(chuàng)建他們的模型，Anastassiou 實(shí)驗(yàn)室的 Anastassiou 和他的團(tuán)隊(duì)——神經(jīng)病學(xué)和神經(jīng)外科、理事會(huì)再生醫(yī)學(xué)研究所和 Cedars-Sinai 神經(jīng)科學(xué)與醫(yī)學(xué)中心的成員——使用了兩組不同的數(shù)據(jù)集小鼠初級(jí)視覺(jué)皮層，大腦中處理來(lái)自眼睛的信息的區(qū)域。

第一個(gè)數(shù)據(jù)集呈現(xiàn)了數(shù)萬(wàn)個(gè)單細(xì)胞的完整遺傳圖片。第二個(gè)將來(lái)自同一大腦區(qū)域的 230 個(gè)細(xì)胞的電反應(yīng)和物理特征聯(lián)系起來(lái)。研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)整合這兩個(gè)數(shù)據(jù)集，并創(chuàng)建了 9,200 個(gè)單個(gè)神經(jīng)元及其電活動(dòng)的生物逼真模型。

“這項(xiàng)工作代表了高性能計(jì)算的重大進(jìn)步，”Cedars-Sinai 神經(jīng)外科系主任、Ruth 和 Lawrence Harvey 神經(jīng)科學(xué)系主任、醫(yī)學(xué)博士 Keith L. Black 說(shuō)。“它還使研究人員能夠搜索細(xì)胞類(lèi)型內(nèi)部和細(xì)胞類(lèi)型之間的關(guān)系，并更深入地了解大腦中細(xì)胞類(lèi)型的功能。”

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