Исследователи Cedars-Sinai создали самые биореалистичные и сложные компьютерные модели отдельных клеток мозга — в беспрецедентном количестве. Их исследование, опубликованное сегодня в рецензируемом журнале Cell Reports , подробно описывает, как эти модели однажды смогут ответить на вопросы о неврологических расстройствах и даже о человеческом интеллекте, которые невозможно исследовать с помощью биологических экспериментов.
«Эти модели фиксируют форму, время и скорость электрических сигналов, которые нейроны запускают, чтобы общаться друг с другом, что считается основой работы мозга», — сказал Костас Анастассиу, доктор философии, научный сотрудник Департамента. нейрохирургии в Cedars-Sinai и старший автор исследования. «Это позволяет нам воспроизвести активность мозга на уровне одной клетки».
Эти модели впервые объединяют наборы данных из различных типов лабораторных экспериментов, чтобы представить полную картину электрической, генетической и биологической активности отдельных нейронов. По словам Анастассиу, модели можно использовать для проверки теорий, для изучения которых в лаборатории потребуются десятки экспериментов.
«Представьте, что вы хотите исследовать, как 50 различных генов влияют на биологические процессы в клетке», — сказал Анастассиу. «Вам нужно будет создать отдельный эксперимент, чтобы «отключить» каждый ген и посмотреть, что произойдет. С нашими вычислительными моделями мы сможем изменить рецепты этих генных маркеров для любого количества генов и предсказать, что произойдет. ."
Еще одним преимуществом моделей является то, что они позволяют исследователям полностью контролировать условия эксперимента. Это открывает возможность установить, что один параметр, такой как белок, экспрессируемый нейроном, вызывает изменение в клетке или болезненное состояние, такое как эпилептические припадки, сказал Анастассиу. В лаборатории исследователи часто могут выявить связь, но доказать причину сложно .
«В лабораторных экспериментах исследователь не все контролирует», — сказал Анастассиу. «Биология многое контролирует. Но в вычислительном моделировании все параметры находятся под контролем создателя. В модели я могу изменить один параметр и посмотреть, как он повлияет на другой, что очень сложно сделать в биологическом эксперименте».
Для создания своих моделей Анастассиу и его команда из лаборатории Анастассиу — сотрудники отделений неврологии и нейрохирургии, Института регенеративной медицины Совета управляющих и Центра неврологических наук и медицины в Сидарс-Синай — использовали два разных набора данных о первичная зрительная кора мыши, область мозга, которая обрабатывает информацию, поступающую от глаз.
Первый набор данных представлял полные генетические картины десятков тысяч одиночных клеток. Второй связал электрические реакции и физические характеристики 230 клеток из одной и той же области мозга. Исследователи использовали машинное обучение для интеграции этих двух наборов данных и создания биореалистичных моделей 9200 отдельных нейронов и их электрической активности .
«Эта работа представляет собой значительный прогресс в области высокопроизводительных вычислений », — сказал Кит Л. Блэк, доктор медицинских наук, заведующий кафедрой нейрохирургии и заведующий кафедрой нейробиологии Рут и Лоуренс Харви в Cedars-Sinai. «Это также дает исследователям возможность искать взаимосвязи внутри и между типами клеток, а также глубже понимать функции типов клеток в мозге».
Исследование проводилось в сотрудничестве с Институтом изучения мозга Аллена в Сиэтле, который также предоставил данные.
«Эта работа под руководством доктора Анастассиу хорошо согласуется с стремлением Cedars-Sinai объединить математику, статистику и информатику с технологиями для решения всех важных вопросов биомедицинских исследований и здравоохранения», — сказал Джейсон Мур, доктор философии, заведующий кафедрой вычислительной биомедицины. «В конечном счете, это вычислительное направление поможет нам понять самые глубокие тайны человеческого мозга».
