Cedars-Sinai 研究人員已經(jīng)創(chuàng)建了最逼真和最復(fù)雜的單個腦細(xì)胞計算機(jī)模型——數(shù)量空前。他們的研究今天發(fā)表在同行評審期刊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)疾病甚至人類智力的問題，而這些問題無法通過生物實(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)射的電信號的形狀、時間和速度，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Cedars-Sinai 神經(jīng)外科博士，該研究的高級作者。“這讓我們可以在單細(xì)胞水平上復(fù)制大腦活動。”
這些模型是第一個結(jié)合來自不同類型實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)集，以呈現(xiàn)單個神經(jīng)元的電、遺傳和生物活動的完整畫面。Anastassiou 說，這些模型可用于測試需要在實(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)胞的生物過程，”Anastassiou 說。“你需要創(chuàng)建一個單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)來‘敲除’每個基因，看看會發(fā)生什么。通過我們的計算模型，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)測會發(fā)生什么。”
這些模型的另一個優(yōu)點(diǎn)是它們允許研究人員完全控制實(shí)驗(yàn)條件。Anastassiou 說，這為確定一個參數(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。“生物學(xué)控制很多。但在計算模擬中，所有參數(shù)都在創(chuàng)建者的控制之下。在模型中，我可以更改一個參數(shù)，看看它如何影響另一個參數(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——神經(jīng)病學(xué)和神經(jīng)外科、理事會再生醫(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)集小鼠初級視覺皮層，大腦中處理來自眼睛的信息的區(qū)域。
第一個數(shù)據(jù)集呈現(xiàn)了數(shù)萬個單細(xì)胞的完整遺傳圖片。第二個將來自同一大腦區(qū)域的 230 個細(xì)胞的電反應(yīng)和物理特征聯(lián)系起來。研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)來整合這兩個數(shù)據(jù)集，并創(chuàng)建了 9,200 個單個神經(jīng)元及其電活動的生物逼真模型。
“這項(xiàng)工作代表了高性能計算的重大進(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。“它還使研究人員能夠搜索細(xì)胞類型內(nèi)部和細(xì)胞類型之間的關(guān)系，并更深入地了解大腦中細(xì)胞類型的功能。”
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