Компьютерные модели могут стать следующим шагом в расшифровке мозга

Мэри Брофи Маркус

16 сентября 2022 - Весь день клетки вашего мозга посылают и получают сообщения посредством электрических и химических сигналов. Эти сообщения помогают вам делать такие вещи, как двигать мышцами и использовать свои органы чувств - вы чувствуете вкус пищи, ощущаете тепло, исходящее от плиты, или читаете слова на этой странице.

Если бы мы могли лучше понять, как передаются и принимаются эти сообщения, мы бы получили мощное представление о связи между мозгом и телом и пролили бы свет на то, что происходит, когда эти связи не работают - как при таких заболеваниях мозга, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона.

Для этого неврологи из клиники Cedars-Sinai в Лос-Анджелесе построили компьютерные модели отдельных клеток мозга - по их словам, самые сложные модели на сегодняшний день. Используя высокопроизводительные вычисления и искусственный интеллект, или ИИ, эти модели, описанные в журнале Cell Reports, отражают форму, время и скорость электрических сигналов, которые подают клетки мозга, называемые нейронами.

Новое исследование является частью продолжающегося уже несколько десятилетий стремления ученых понять внутреннюю работу мозга, причем не только когнитивную, но и биологическую, генетическую и электрическую.

Наиболее известными первыми исследователями были Алан Ллойд Ходжкин, Эндрю Филдинг Хаксли и Джон Кэрью Экклз, получившие в 1963 году Нобелевскую премию по медицине за открытие мембран нервных клеток.

"Сегодня наступил уникальный момент, когда подробные наборы данных по одному нейрону доступны в большом количестве и для многих клеток", - говорит автор исследования Костас Анастасиу, доктор философии, научный сотрудник отделения нейрохирургии в Cedars-Sinai. "Размер и скорость современных компьютеров позволяют нам изучать [детальные] механизмы на одноклеточном уровне - для каждой клетки".

Как смоделировать деятельность клеток мозга с помощью компьютера?

Оказывается, электрические импульсы, которые нейроны используют для коммуникации, можно воспроизвести с помощью компьютерного кода.

"Мы воспроизвели отчетливые формы волн напряжения и временные траектории этих импульсов с помощью математических уравнений", - говорит Анастасиу. Затем они построили компьютерные модели, используя наборы данных из экспериментов на мышах.

Эти эксперименты измеряют определенные вещи в клетках - например, их размер, форму и структуру, или то, как они реагируют на изменения. Каждая модель клетки объединяет все эти элементы и может помочь выявить, как они связаны между собой.

Компьютерные модели могут согласовать две важнейшие части информации: клеточный состав (строительные блоки клеток мозга) и закономерности, наблюдаемые во время мозговой активности. С помощью компьютера становятся понятными связи между наборами данных. По словам исследователей, это может помочь проложить путь к выяснению того, что на самом деле вызывает изменения в мозге, что является важным шагом при изучении расстройств.

Что компьютеры могут рассказать нам о человеческом мозге?

Одним из интересных потенциальных применений моделей клеток мозга может стать проверка всевозможных теорий о расстройствах мозга, которые трудно или невозможно создать с помощью экспериментов в лаборатории. Кроме того, эта работа может привести к новым знаниям о мозге: насколько похожи или различны клетки мозга, что их связывает или делает разными, и что это означает в различных аспектах.

Компьютеры и математика рассказывают истории о мозге, и Анастасиу говорит, что для него это увлекательно из-за простоты результатов и богатства их воздействия.

"Меня всегда интересовал вопрос о том, как математические уравнения представляют живые, вычислительные, биологические клетки - особенно это касается мозга, эпицентра того, что делает нас людьми", - говорит он.