Bauen Sie ein Gehirn von Grund auf neu auf: Mathematische Modelle in den Neurowissenschaften

Über Jahrtausende war die Menschheit besorgt über die Funktionsweise des Nervensystems: Es wurde versucht zu verstehen, wie Wahrnehmung und Lernen stattfinden, welche Emotionen und welches Bewusstsein sie spielen, welche Rolle sie spielen, wie sie im Verlauf der Evolution auftraten, welchen Einfluss verschiedene externe und interne Faktoren auf die Entwicklung und Bildung des Nervensystems haben Systeme von Menschen und anderen Tieren. All diese spannenden Themen wurden auf die eine oder andere Weise in den Neurowissenschaften und verwandten Disziplinen angesprochen.

Die Neurobiologie ist die Wissenschaft, die die Struktur, Funktion und Entwicklung des Nervensystems bei Menschen und Tieren untersucht. Die Gehirnforschung ist eine engere Disziplin, die sich dem menschlichen Gehirn widmet. Die Neurobiologie deckt verschiedene Organisationsebenen ab - von molekular bis systemisch, reibungslos in die Molekularbiologie und Biochemie einerseits und die Neuropsychologie (Wissenschaft an der Schnittstelle zur Psychologie) andererseits.

Einige Menschen behaupten nach wie vor, dass es unmöglich ist, die Arbeit des Gehirns zu verstehen, oder sie leugnen, dass das Gehirn unseren Geist und unser Bewusstsein usw. hervorbringt. Trotz alledem sind die in diesem Bereich tätigen Wissenschaften in Wirklichkeit enorm Erfolge und schließen schnell Lücken in unserem Verständnis bestehender Probleme. In den letzten Jahrzehnten hat die Menschheit gelernt, dass sich Nervenzellen erholen und Stammzellen so umprogrammieren, dass sie neue Neuronen bilden [1]. Wir fanden auch heraus, dass die elektrische Stimulation von Nerven bei gelähmten Patienten mit Rückenmarksverletzungen die Fähigkeit zum selbständigen Gehen wiederherstellen kann [2].Viele Erkrankungen des Nervensystems können jetzt frühzeitig und ohne den Einsatz invasiver Methoden oder langwieriger schmerzhafter Untersuchungen erkannt werden: Eine relativ einfache Analyse der genetischen Informationen einer Person ermöglicht es, viele neurodegenerative Erkrankungen, Epilepsie und Bewegungsstörungen bereits vor dem Auftreten von Symptomen zu identifizieren. Es ist jetzt möglich, detaillierte Karten und öffentlich verfügbare Datenbanken zu erstellen, die Informationen darüber enthalten, wie bestimmte Gene mit verschiedenen Krankheiten oder bestimmten Verhaltensweisen assoziiert sind und wie Interaktionen der Produkte dieser Gene an der Verarbeitung eines riesigen Informationsflusses im Gehirn beteiligt sind. Es wurden detaillierte (auf der Ebene einzelner Neuronen) Mechanismen zur Verarbeitung von Informationen über den räumlichen Standort des Organismus entdeckt - eine Art internes GPS,Orientierung geben (für diese Arbeit wurde 2014 der Nobelpreis verliehen) [10].

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Abbildung 1. Bottom-up- und Top-down-Ansätze.  Diese beiden Ansätze sind die Extreme eines Kontinuums unterschiedlicher Wege zu einem gemeinsamen Ziel - zu erklären, wie unser Gehirn unseren Geist hervorbringt.  Im Allgemeinen besteht derzeit eine negative Korrelation zwischen der kognitiven und der biologischen Genauigkeit von Modellen.  Diese negative Korrelation kann jedoch in eine positive umgewandelt werden, wenn kognitive Einschränkungen ein besseres Verständnis der biologischen Funktionen ermöglichen und wenn die Biologie die Inspiration für die Erstellung von Modellen ist, die Denkprozesse erklären [3].
1. «-» vs «-». — , . , . , , [3].

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Abbildung 2. Wachstum und Differenzierung der Zellmasse während der Simulation.
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Zellwachstum

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Axonwachstum

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Abbildung 3. Ein Beispiel für die Zelldynamik nach einer Verletzung in einem Modell.
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Computational Neuroscience

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  2. Angeli, C. A., Boakye, M., Morton, R. A., Vogt, J., Benton, K., Chen, Y., … Harkema, S. J. (2018). Recovery of Over-Ground Walking after Chronic Motor Complete Spinal Cord Injury. New England Journal of Medicine. doi:10.1056/NEJMoa1803588 (https://doi.org/10.1056/NEJMoa1803588)

  3. Kriegeskorte, N., & Douglas, P. K. (2018). Cognitive computational neuroscience. Nature Neuroscience. doi:10.1038/s41593-018-0210-5

  4. Caffrey, J. R., Hughes, B. D., Britto, J. M., and Landman, K. A. (2014). An in silico agent-based model demonstrates reelin function in directing lamination of neurons during cortical development. PLoS ONE 9. doi:10.1371/journal.pone.0110415

  5. Dingle, Y.-T. L., Boutin, M. E., Chirila, A. M., Livi, L. L., Labriola, N. R., Jakubek, L. M., et al. (2015). Three-dimensional neural spheroid culture: An in vitro model for cortical studies. Tissue engineering. Part C, Methods 21, 1274–1283. doi:10.1089/ten.TEC.2015.0135. 26414693

  6. Gerhard, F., Pipa, G., Lima, B., Neuenschwander, S., and Gerstner, W. (2011). Extraction of network topology from multi-electrode recordings: Is there a small-world effect? Frontiers in Computational Neuroscience 5. doi:10.3389/fncom.2011.00004

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  8. Wang, X., Gao, X., Michalski, S., Zhao, S., & Chen, J. (2016). Traumatic Brain Injury Severity Affects Neurogenesis in Adult Mouse Hippocampus. Journal of Neurotrauma, 33(8), 721–733. doi:10.1089/neu.2015.4097 (https://doi.org/10.1089/neu.2015.4097)

  9. Neuberger, E. J., Swietek, B., Corrubia, L., Prasanna, A., & Santhakumar, V. (2017). Enhanced Dentate Neurogenesis after Brain Injury Undermines Long-Term Neurogenic Potential and Promotes Seizure Susceptibility. Stem Cell Reports, 9(3), 972–984. doi:10.1016/j.stemcr.2017.07.015 (https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2017.07.015)

  10. https://www.scientificamerican.com/article/how-the-2014-nobel-prize-winners-found-the-brain-s-own-gps/




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