Die Struktur der synaptischen verbindungen zwischen Neuronen, die Formen Ihrer Tätigkeit und Funktion. Messung eine umfassende Momentaufnahme der so genannten connectome hat bislang nur erreicht, innerhalb von kleinen Volumina, die kleiner als der Kopf einer Stecknadel. Für größere Volumina, die long-range-verbindungen, gebildet durch Bündel von extrem dünnen, aber langen Fasern, hat nur untersucht worden, für eine kleine Zahl von einzelnen Neuronen, die weit von einem vollständigen Bild. Alternativ wurde untersucht auf der makro-Skala, eine ‚Zoom-out‘ – Ansicht der Durchschnittliche Eigenschaften, die nicht mit single-cell-Auflösung.
In einem Papier, veröffentlicht in Nature Communications, die Blue-Brain-Forscher haben gezeigt, dass der trick liegt in der Kombination der beiden Ansichten. Durch die Integration von Daten aus den beiden letzten Datensätze — der Allen Mouse Brain Connectivity Atlas und Janelia MouseLight — die Forscher identifizierten einige wichtige Regeln, die diktieren, die einzelnen Neuronen bilden verbindungen über große Entfernungen innerhalb der Großhirnrinde. Dies war möglich, weil die beiden Datensätze ergänzt, die einander in Bezug auf die Gesamtheit der neocortex und die zelluläre Auflösung zur Verfügung gestellt.
Entstehung eine überraschend komplexe Struktur auf single-cell-Auflösung
Aufbauend auf Ihrer bisherigen Arbeit in der Modellierung der lokalen schaltkreise im Gehirn, die Forscher waren dann in der Lage zu parametrisieren diese Grundsätze der neokortikalen verbindungen und generieren statistische connectome-Instanzen kompatibel mit Ihnen. Wenn Sie studiert die resultierende Struktur, fanden Sie etwas sehr faszinierendes; auf zellulärer Auflösung, eine überraschend komplexe Struktur, hatte bislang nur gesehen zwischen benachbarten Neuronen, die nun auch zusammen gebunden Neuronen in verschiedenen Regionen und an den gegenüberliegenden enden des Gehirns. Diese war vergleichbar mit der Regel von selbst-ähnlichkeit, die zuvor in der menschlichen Gehirn (MRT-Daten) und prophezeit, daß es erstreckt sich den ganzen Weg hinunter auf die Ebene der einzelnen Neuronen.
„Das hat mich wieder daran denke, wie ich denke, über diese long-range-verbindungen“, verrät lead-Forscher Michael Reimann. „Sie haben schon dargestellt, wie diese stumpfen Kabel, verbinden oder synchronisieren ganze Regionen des Gehirns. Aber vielleicht gibt es mehr zu Ihnen, mehr spezifische Ausrichtung der einzelnen Neuronen. Und das ist, was wir gelernt aus der nur wenige, relativ grobe Grundsätze. Ich erwarte, dass durch verbesserte Methoden finden wir mehr in der Zukunft.“
Offen zugänglich connectome können dienen als ein leistungsfähiges null-Modell zu vergleichen experimentelle Ergebnisse
„Wir haben abgeschlossen, so ein Erster Entwurf connectome Maus-neocortex durch die Verwendung eine verbesserte version des zuvor veröffentlichten Schaltung bauen pipeline (Markram et al., 2015),“ erklärt Michael Reimann. „Es ist verbessert worden, um Platz Neuronen im Gehirn-atlas angegebenen 3d-Räume anstelle von hexagonalen Prismen unter Berücksichtigung der geometrie und zelluläre Zusammensetzung der einzelnen Hirnregionen. Die Zusammensetzung basiert auf Daten aus der open-source-Blue-Brain-Zell-Atlas. Weitere Einschränkungen wurden, stammen aus anderen öffentlich zugänglichen Datensätzen. Weitere Einschränkungen sind bisher unbekannt sind, wahrscheinlich limit-long-range-Konnektivität sogar mehr. Zu Beginn eines Prozesses der iterativen Verfeinerung, machten wir das Modell und die Daten der öffentlichkeit zur Verfügung. Die parametrisierte constraints auf Projektion Stärke, mapping -, Schicht-profile und einzelne axon-targeting (also die Projektion Rezept), sowie stochastische Instanziierungen der gesamte neocortex micro-Connectome finden Sie unter https://portal.bluebrain.epfl.ch/resources/models/mouse-projections.“
Diese offen zugänglich connectome können dienen als ein leistungsfähiges null-Modell zu vergleichen experimentelle Ergebnisse und als Substrat für die ganz-Hirn-Simulationen von detaillierten neuronalen Netzen. Sparse-Verbindung Matrizen von mehreren Fällen, von der vorhergesagt null-Modell der neokortikalen long-range-verbindungen wurden auch öffentlich als das Ergebnis aktiv demonstriert die macht der Herstellung Datensätze der öffentlichkeit zur Verfügung.
Weitere Stärkung der Fall für die Simulation
Die simulation (in silico) – Methode erlaubt es den Wissenschaftlern, die Ziel-volumes mehrere Größenordnungen kleiner, als dies möglich wäre mit experimentellen Methoden, bis hin zu der innervation der einzelnen Neuronen mit sub-zellulärer Auflösung. Geht nach vorn, damit wird die simulation der elektrischen Aktivität von einzelnen Neuronen, ganze Regionen oder der gesamte neocortex.
„Dieses Papier baut auf Blue Brain früheren arbeiten auf die Bewertung der morphologischen Einschränkungen auf Konnektivität, ‚Morphologische Vielfalt Stark Hemmt die Synaptische Konnektivität und Plastizität‘, (Großhirnrinde, 2017) und „Rekonstruktion und Simulation der Neokortikalen Microcircuitry‘ (Cell-2015) erklärt die Blue-Brain-Gründer und-Geschäftsführer Prof. Henry Markram. „Die Ergebnisse ermöglichen uns, weiterhin mit unserer Simulations-Experimente auf eine exponentiell steigende rate bedeutet, können wir jetzt aufbauen biologisch korrekt Gehirn-Modelle größer und größer Gehirn-Regionen und eine höhere Auflösung damit weitere Stärkung der Fall für die simulation.“