Construya un cerebro desde cero: modelos matemáticos en neurociencia

Durante milenios, la humanidad estuvo preocupada por el funcionamiento del sistema nervioso: se intentó comprender cómo ocurre la percepción y el aprendizaje, qué son las emociones y la conciencia, qué papel desempeñan, cómo aparecieron en el curso de la evolución, cuál es la influencia de varios factores externos e internos en el desarrollo y formación del sistema nervioso. sistemas de humanos y otros animales. Todos estos interesantes temas se abordan de una forma u otra en la neurociencia y disciplinas afines.

La neurobiología es la ciencia que estudia la estructura, funcionamiento y desarrollo del sistema nervioso en humanos y animales. La ciencia del cerebro es una disciplina más limitada dedicada al cerebro humano. La neurobiología cubre diferentes niveles de organización, desde la molecular hasta la sistémica, pasando suavemente a la biología molecular y la bioquímica por un lado, y a la neuropsicología (ciencia en la interfaz con la psicología) por el otro.

Algunas personas, como en tiempos inmemoriales, continúan afirmando que es imposible comprender el trabajo del cerebro, o niegan que el cerebro da lugar a nuestra mente y conciencia, etc. A pesar de todo esto, en realidad, las ciencias que trabajan en esta área están haciendo enormes éxitos y están cerrando rápidamente las brechas en nuestra comprensión de los problemas existentes. Durante las últimas décadas, la humanidad ha aprendido que las células nerviosas se recuperan y han aprendido a reprogramar las células madre para que formen nuevas neuronas [1]. También encontramos que a través de la estimulación eléctrica de los nervios, la capacidad de moverse de forma independiente se puede restaurar en pacientes paralizados con lesiones de la médula espinal [2].Muchas enfermedades del sistema nervioso ahora se pueden reconocer en una etapa temprana y sin el uso de métodos invasivos o un escaneo doloroso prolongado: un análisis relativamente simple de la información genética de una persona permite identificar muchas enfermedades neurodegenerativas, epilepsia y trastornos del movimiento incluso antes de la aparición de los síntomas. Ahora es posible crear mapas detallados y bases de datos disponibles públicamente que contienen información sobre cómo genes específicos están asociados con diversas enfermedades o ciertos tipos de comportamiento, y cómo las interacciones de los productos de estos genes están involucradas en el procesamiento de un gran flujo de información en el cerebro. Se descubrieron mecanismos detallados (a nivel de trabajo de neuronas individuales) para procesar información sobre la ubicación espacial del cuerpo: una especie de GPS interno,proporcionar orientación (por este trabajo fue galardonado con el Premio Nobel en 2014) [10].

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Figura 1. Enfoques ascendentes versus descendentes.  Estos dos enfoques son los extremos de un continuo de diferentes caminos hacia un objetivo común: explicar exactamente cómo nuestros cerebros dan lugar a nuestras mentes.  En general, actualmente existe una correlación negativa entre la precisión cognitiva y biológica de los modelos.  Sin embargo, esta correlación negativa puede transformarse en positiva cuando las limitaciones cognitivas permiten una mejor comprensión de las funciones biológicas y cuando la biología es la inspiración para crear modelos que expliquen los procesos de pensamiento [3].
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. , in vitro , , . JetBrains Research (in silico) : BCNNM (Biological Cellular Neural Network Modeling), .

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Figura 2. Crecimiento y diferenciación de la masa celular durante la simulación.
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Crecimiento celular

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Crecimiento de axones

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Figura 3. Un ejemplo de dinámica celular después de una lesión en un modelo.
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Computational Neuroscience

, . 2019 « » ( !) JetBrains. . , , , . 2020 , . YouTube- JetBrains Research.

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  1. Takahashi, J. iPS cell-based therapy for Parkinson's disease: A Kyoto trial. Regenerative Therapy, 2020, ISSN 2352-3204. https://doi.org/10.1016/j.reth.2020.06.002.

  2. Angeli, C. A., Boakye, M., Morton, R. A., Vogt, J., Benton, K., Chen, Y., … Harkema, S. J. (2018). Recovery of Over-Ground Walking after Chronic Motor Complete Spinal Cord Injury. New England Journal of Medicine. doi:10.1056/NEJMoa1803588 (https://doi.org/10.1056/NEJMoa1803588)

  3. Kriegeskorte, N., & Douglas, P. K. (2018). Cognitive computational neuroscience. Nature Neuroscience. doi:10.1038/s41593-018-0210-5

  4. Caffrey, J. R., Hughes, B. D., Britto, J. M., and Landman, K. A. (2014). An in silico agent-based model demonstrates reelin function in directing lamination of neurons during cortical development. PLoS ONE 9. doi:10.1371/journal.pone.0110415

  5. Dingle, Y.-T. L., Boutin, M. E., Chirila, A. M., Livi, L. L., Labriola, N. R., Jakubek, L. M., et al. (2015). Three-dimensional neural spheroid culture: An in vitro model for cortical studies. Tissue engineering. Part C, Methods 21, 1274–1283. doi:10.1089/ten.TEC.2015.0135. 26414693

  6. Gerhard, F., Pipa, G., Lima, B., Neuenschwander, S., and Gerstner, W. (2011). Extraction of network topology from multi-electrode recordings: Is there a small-world effect? Frontiers in Computational Neuroscience 5. doi:10.3389/fncom.2011.00004

  7. .. . . , - 2018

  8. Wang, X., Gao, X., Michalski, S., Zhao, S., & Chen, J. (2016). Traumatic Brain Injury Severity Affects Neurogenesis in Adult Mouse Hippocampus. Journal of Neurotrauma, 33(8), 721–733. doi:10.1089/neu.2015.4097 (https://doi.org/10.1089/neu.2015.4097)

  9. Neuberger, E. J., Swietek, B., Corrubia, L., Prasanna, A., & Santhakumar, V. (2017). Enhanced Dentate Neurogenesis after Brain Injury Undermines Long-Term Neurogenic Potential and Promotes Seizure Susceptibility. Stem Cell Reports, 9(3), 972–984. doi:10.1016/j.stemcr.2017.07.015 (https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2017.07.015)

  10. https://www.scientificamerican.com/article/how-the-2014-nobel-prize-winners-found-the-brain-s-own-gps/




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