逼真模型再現單神經元微觀活動

美國西達賽奈醫學中心研究人員創建了一種極為逼真且詳細的腦細胞計算機模型，將來自不同類型實驗室的數據集結合在一起，呈現了單個神經元的電、遺傳和生物活動的完整圖景。相關論文發表在9日的同行評議期刊《細胞報告》上，有助于回答有關神經疾病甚至人類智力方面的問題，而這些問題很難通過生物實驗來獲得答案。

“這些模型捕捉了神經元為了相互交流而發出的電信號的形狀、時間和速度，這被認為是大腦功能的基礎，讓我們可以在單細胞水平上復制大腦活動。”論文資深作者、西達賽奈醫學中心神經外科研究科學家科斯塔斯·阿納斯塔西烏博士說，這些模型可用來測試需要數十個實驗才能檢驗的理論。“假如你想研究50種不同的基因如何影響細胞的生物學過程，你需要創建一個個單獨的實驗來‘敲除’每一個基因，看看會發生什么。有了我們的計算模型，就能夠更改目標基因標記的參數，并加以預測。”

這些模型的另一個優點是，它能讓研究人員完全控制實驗條件。這為確定一個參數，如神經元表達的蛋白質，導致細胞變化或癲癇發作等疾病狀況提供了可能。而在實驗室里，研究人員通常可以證明兩者之間的聯系，但很難證明原因。

阿納斯塔西烏表示，在實驗室實驗中，研究人員并不能控制一切。在新模型中，可改變一個參數，并觀察它如何影響另一個參數，這在生物實驗中是很難做到的。

為了創建他們的模型，研究人員使用了來自小鼠初級視覺皮質（大腦中處理來自眼睛信息的區域）的兩組不同的數據。

第一個數據集展示了數萬個單細胞的完整基因圖片。第二個將來自同一腦區的230個細胞的電反應和物理特征聯系在一起。研究人員使用機器學習來整合這兩個數據集，創建了9200個神經元及其電活動的生物逼真模型。

研究人員表示，這一模型代表著高性能計算的重大進步，使科研人員能夠搜索細胞內部和之間的關系，對大腦中不同細胞類型的功能有更深入的了解。