计算机模型可能是解读大脑的下一个步骤

玛丽-布罗菲-马库斯报道

2022年9月16日 - 整天，你的脑细胞都在通过电和化学信号发送和接收信息。这些信息帮助你做一些事情，比如移动你的肌肉和使用你的感官--就像你品尝你的食物，感受炉子上的热量，或者阅读这一页上的文字。

如果我们能够更好地了解这些信息是如何被发送和接收的，我们将获得对大脑-身体连接的强大洞察力，并阐明当这些连接不起作用时发生了什么--如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症等大脑疾病。

为此，洛杉矶Cedars-Sinai的神经科学家们已经建立了单个脑细胞的计算机模型--他们说这是迄今为止最复杂的模型。正如《细胞报告》杂志所描述的那样，利用高性能计算和人工智能，这些模型能够捕捉到被称为神经元的脑细胞发射的电信号的形状、时间和速度。

这项新的研究是科学家们数十年来对了解大脑内部运作的追求的一部分，不仅仅是认知上的，还有生物上、基因上和电气上的。

最著名的早期研究人员是艾伦-劳埃德-霍奇金、安德鲁-菲尔丁-赫胥黎和约翰-卡鲁-埃克斯，他们因发现神经细胞膜而获得了1963年诺贝尔医学奖。

"今天是一个独特的时刻，详细的单神经元数据集可以大量提供给许多细胞，"研究报告的作者，Costas Anastassiou博士说，他是雪松-西奈的神经外科部门的研究科学家。"当今计算机的规模和速度使我们能够在单细胞水平上探索[详细的]机制--为每个细胞。

你如何使用计算机模拟脑细胞活动？

事实证明，神经元用来交流的电脉冲可以用计算机代码来复制。

"阿纳斯塔西乌说："我们用数学方程复制了这些脉冲的独特电压波形和时间轨迹。然后他们利用小鼠实验的数据集建立了计算机模型。

这些实验测量了细胞中的某些东西--比如它们的大小、形状和结构，或者它们如何对变化做出反应。每个细胞模型结合了所有这些元素，可以帮助揭示它们之间的联系。

计算机模型可以调和两个关键信息：细胞构成（脑细胞的构件）和大脑活动期间观察到的模式。在计算机的帮助下，数据集之间的联系变得清晰。研究人员说，这可能有助于为发现实际导致大脑变化的原因铺平道路--这是研究疾病时的关键一步。

计算机能告诉我们关于人脑的什么？

脑细胞模型令人兴奋的潜在用途之一是测试关于大脑疾病的各种理论，这些理论很难或不可能通过实验室的实验来创造。除此之外，这项工作还能带来关于大脑的新见解：脑细胞有多大的相似或不同，是什么连接或使它们不同，以及这在各种属性中意味着什么。

计算机和数学正在讲述关于大脑的故事，阿纳斯塔西乌说对他来说，其魅力来自于结果的简单性和其影响的丰富性。

"他说："我一直对数学方程如何代表活的、计算的、生物细胞的问题感到着迷--对于大脑来说尤其如此，它是使我们人类的中心。