Computermodellen kunnen de volgende stap zijn in het decoderen van de hersenen

16 september 2022 – De hele dag door verzenden en ontvangen uw hersencellen berichten via elektrische en chemische signalen. Deze berichten helpen u dingen te doen zoals uw spieren bewegen en uw zintuigen gebruiken – terwijl u uw eten proeft, de hitte van een fornuis voelt komen of de woorden op deze pagina leest.

Als we beter zouden begrijpen hoe die berichten worden verzonden en ontvangen, zouden we krachtige inzichten krijgen in de verbinding tussen hersenen en lichaam en licht werpen op wat er gebeurt als die verbindingen zijn niet werken – zoals bij hersenziekten zoals Alzheimer en Parkinson.

Daartoe hebben neurowetenschappers van Cedars-Sinai in Los Angeles computermodellen van individuele hersencellen gebouwd – de meest complexe modellen tot nu toe, zeggen ze. Met behulp van high-performance computing en kunstmatige intelligentie, of AI, de modellen, zoals beschreven in het tijdschrift Mobiele rapportenlegt de vorm, timing en snelheid vast van de elektrische signalen die hersencellen, neuronen genaamd, afvuren.

Het nieuwe onderzoek maakt deel uit van een decennialange zoektocht van wetenschappers om de innerlijke werking van de hersenen te begrijpen, niet alleen cognitief maar ook biologisch, genetisch en elektrisch.

De beroemdste vroege onderzoekers waren Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley en John Carew Eccles, die in 1963 de Nobelprijs voor de geneeskunde wonnen voor hun ontdekkingen over zenuwcelmembranen.

“Vandaag is een uniek moment waarop gedetailleerde, single-neuron datasets in grote hoeveelheden en voor veel cellen beschikbaar zijn”, zegt studie auteur, Costas Anastassiou, PhD, een onderzoekswetenschapper bij de afdeling Neurochirurgie van Cedars-Sinai. “De grootte en snelheid van vandaags computers stellen ons in staat om te verkennen [detailed] mechanismen op eencellig niveau – voor elke cel.”

Hoe modelleer je hersencelactiviteit met behulp van een computer?

Het blijkt dat de elektrische pulsen die neuronen gebruiken om te communiceren, kunnen worden gerepliceerd met behulp van computercode.

“We hebben de verschillende spanningsgolfvormen en tijdtrajecten van deze pulsen gerepliceerd met behulp van wiskundige vergelijkingen”, zegt Anastassiou. Daarna bouwden ze computermodellen met behulp van datasets van experimenten met muizen.

Deze experimenten meten bepaalde dingen in de cellen, zoals hun grootte, vorm en structuur, of hoe ze reageren op veranderingen. Elk celmodel combineert al deze elementen en kan helpen onthullen hoe ze met elkaar in verbinding staan.

Computermodellen kunnen twee cruciale stukjes informatie met elkaar verzoenen: de cellulaire samenstelling (bouwstenen van hersencellen) en de patronen die worden waargenomen tijdens hersenactiviteit. Met behulp van de computer worden verbanden tussen de datasets duidelijk. Dit zou de weg kunnen vrijmaken om te ontdekken wat de hersenen daadwerkelijk doet veranderen, zeggen de onderzoekers – een cruciale stap bij het kijken naar aandoeningen.

Wat kunnen computers ons vertellen over het menselijk brein?

Een van de opwindende potentiële toepassingen van de hersencelmodellen zou zijn om allerlei theorieën over hersenaandoeningen te testen die moeilijk of onmogelijk zouden zijn om door experimenten in het laboratorium te creëren. Daarnaast kan het werk leiden tot nieuwe inzichten over de hersenen: hoe vergelijkbaar of verschillend hersencellen zijn, wat ze verbindt of anders maakt, en wat dat betekent over een spectrum van eigenschappen.

Computers en wiskunde vertellen verhalen over de hersenen, en Anastassiou zegt voor hem dat de fascinatie voortkomt uit de eenvoud van het resultaat en de rijkdom van hun impact.

“Ik ben altijd gefascineerd geweest door de vraag hoe wiskundige vergelijkingen levende, computer-, biologische cellen voorstellen – met name voor de hersenen, het epicentrum van wat ons menselijk maakt”, zegt hij.

Dit bericht is gepost in News. Bookmark de link.