Computermodelle könnten der nächste Schritt bei der Entschlüsselung des Gehirns sein
Von Mary Brophy Marcus
Sept. 16, 2022 - Den ganzen Tag über senden und empfangen Ihre Gehirnzellen Nachrichten durch elektrische und chemische Signale. Diese Botschaften helfen Ihnen, Dinge zu tun, wie Ihre Muskeln zu bewegen und Ihre Sinne zu nutzen - wenn Sie Ihr Essen schmecken, die Hitze eines Ofens spüren oder die Worte auf dieser Seite lesen.
Wenn wir besser verstehen könnten, wie diese Botschaften gesendet und empfangen werden, würden wir wichtige Erkenntnisse über die Verbindung zwischen Gehirn und Körper gewinnen und herausfinden, was passiert, wenn diese Verbindungen nicht funktionieren - wie bei Hirnerkrankungen wie Alzheimer und Parkinson.
Zu diesem Zweck haben Neurowissenschaftler am Cedars-Sinai in Los Angeles Computermodelle einzelner Gehirnzellen erstellt - die komplexesten Modelle, die es bisher gab, wie sie sagen. Mit Hilfe von Hochleistungsrechnern und künstlicher Intelligenz (KI) erfassen die Modelle, die in der Zeitschrift Cell Reports beschrieben werden, die Form, das Timing und die Geschwindigkeit der elektrischen Signale, die von Gehirnzellen, den Neuronen, abgegeben werden.
Die neue Forschung ist Teil einer jahrzehntelangen Suche von Wissenschaftlern nach einem Verständnis des Innenlebens des Gehirns, nicht nur in kognitiver, sondern auch in biologischer, genetischer und elektrischer Hinsicht.
Die berühmtesten frühen Forscher waren Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley und John Carew Eccles, die 1963 den Nobelpreis für Medizin für ihre Entdeckungen über Nervenzellmembranen erhielten.
"Heute ist ein einzigartiger Moment, in dem detaillierte Datensätze von Einzelneuronen in großen Mengen und für viele Zellen zur Verfügung stehen", sagt Studienautor Costas Anastassiou, PhD, ein Forscher in der Abteilung für Neurochirurgie am Cedars-Sinai. "Die Größe und Geschwindigkeit der heutigen Computer ermöglicht es uns, [detaillierte] Mechanismen auf Einzelzellebene zu erforschen - für jede Zelle."
Wie kann man die Aktivität von Gehirnzellen mit einem Computer modellieren?
Es stellte sich heraus, dass die elektrischen Impulse, mit denen Neuronen kommunizieren, mit Computercode nachgebildet werden können.
"Wir haben die unterschiedlichen Spannungswellenformen und Zeitverläufe dieser Impulse mit mathematischen Gleichungen nachgebildet", sagt Anastassiou. Dann erstellten sie Computermodelle anhand von Datensätzen aus Experimenten an Mäusen.
Bei diesen Experimenten werden bestimmte Dinge in den Zellen gemessen - wie ihre Größe, Form und Struktur oder wie sie auf Veränderungen reagieren. Jedes Zellmodell kombiniert all diese Elemente und kann dazu beitragen, deren Zusammenhänge aufzuzeigen.
Computermodelle können zwei wichtige Informationen miteinander in Einklang bringen: den zellulären Aufbau (Bausteine der Gehirnzellen) und die bei der Gehirnaktivität beobachteten Muster. Mit Hilfe des Computers werden die Zusammenhänge zwischen den Datensätzen deutlich. Dies könnte den Weg ebnen, um herauszufinden, was das Gehirn tatsächlich verändert, sagen die Forscher - ein entscheidender Schritt bei der Untersuchung von Störungen.
Was können uns Computer über das menschliche Gehirn sagen?
Eine der aufregenden potenziellen Verwendungsmöglichkeiten der Gehirnzellenmodelle wäre es, alle möglichen Theorien über Gehirnstörungen zu testen, die durch Experimente im Labor nur schwer oder gar nicht zu erstellen wären. Darüber hinaus kann die Arbeit zu neuen Erkenntnissen über das Gehirn führen: wie ähnlich oder verschieden die Gehirnzellen sind, was sie verbindet oder voneinander unterscheidet und was dies für ein Spektrum von Eigenschaften bedeutet.
Computer und Mathematik erzählen Geschichten über das Gehirn, und Anastassiou sagt, für ihn liege die Faszination in der Einfachheit der Ergebnisse und der Fülle ihrer Auswirkungen.
"Ich war schon immer von der Frage fasziniert, wie mathematische Gleichungen lebende, rechnende, biologische Zellen darstellen - insbesondere im Hinblick auf das Gehirn, das Epizentrum dessen, was uns zu Menschen macht", sagt er.
