Construa um cérebro do zero: modelos matemáticos em neurociência

Durante milênios, a humanidade se preocupou com o funcionamento do sistema nervoso: foram feitas tentativas de entender como ocorre a percepção e o aprendizado, o que são as emoções e a consciência, que papel desempenham, como surgiram no curso da evolução, qual a influência de vários fatores externos e internos no desenvolvimento e formação do sistema nervoso sistemas de humanos e outros animais. Todos esses tópicos interessantes são abordados de uma forma ou de outra na neurociência e disciplinas relacionadas.

Neurobiologia é a ciência que estuda a estrutura, funcionamento e desenvolvimento do sistema nervoso em humanos e animais. A ciência do cérebro é uma disciplina mais restrita dedicada ao cérebro humano. A neurobiologia abrange diferentes níveis de organização - do molecular ao sistêmico, movendo-se suavemente para a biologia molecular e bioquímica, por um lado, e a neuropsicologia (ciência na interface com a psicologia), por outro.

Algumas pessoas, como em tempos imemoriais, continuam a afirmar que é impossível entender o trabalho do cérebro, ou negam que o cérebro dê origem à nossa mente e consciência, etc. Apesar de tudo isso, na realidade, as ciências que trabalham nesta área estão fazendo um grande progresso sucessos e rapidamente fechando lacunas em nossa compreensão das questões existentes. Nas últimas décadas, a humanidade aprendeu que as células nervosas se recuperam e aprendeu a reprogramar as células-tronco para que formem novos neurônios [1]. Também descobrimos que a estimulação elétrica dos nervos pode restaurar a capacidade de andar independentemente em pacientes paralisados ​​com lesões na medula espinhal [2].Muitas doenças do sistema nervoso agora podem ser reconhecidas em um estágio inicial e sem o uso de métodos invasivos ou varredura longa e dolorosa: uma análise relativamente simples da informação genética de uma pessoa torna possível identificar muitas doenças neurodegenerativas, epilepsia e distúrbios do movimento, mesmo antes do início dos sintomas. Agora é possível criar mapas detalhados e bancos de dados publicamente disponíveis contendo informações sobre como genes específicos estão associados a diferentes doenças ou certos tipos de comportamento, e como as interações dos produtos desses genes estão envolvidas no processamento de um enorme fluxo de informações no cérebro. Mecanismos detalhados (no nível de trabalho de neurônios individuais) para processar informações sobre a localização espacial do corpo foram descobertos - uma espécie de GPS interno,fornecer orientação (pois este trabalho recebeu o Prêmio Nobel em 2014) [10].

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Figura 1. Abordagens de baixo para cima versus de cima para baixo.  Essas duas abordagens são os extremos de um continuum de caminhos diferentes em direção a um objetivo comum - explicando como nossos cérebros dão origem às nossas mentes.  Em geral, existe atualmente uma correlação negativa entre a precisão cognitiva e biológica dos modelos.  No entanto, esta correlação negativa pode ser transformada em positiva quando as limitações cognitivas permitem um melhor entendimento das funções biológicas e quando a biologia é a inspiração para a criação de modelos que explicam os processos de pensamento [3].
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Figura 2. Crescimento e diferenciação da massa celular durante a simulação.
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Crescimento celular

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Crescimento de axônio

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Figura 3. Um exemplo de dinâmica celular após lesão em um modelo.
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Computational Neuroscience

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  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

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  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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