Реконструкция и моделирование неокортикальных микроконтуров


Реконструкция и моделирование неокортикальных микроконтуров — совместное международное исследование, проведённое 82 соавторами из 13 институтов. XX2 ВЕК подготовил для вас русский транскрипт видео, снятого учёными по итогам этой колоссальной работы.

Рассказывает профессор Генри Маркрам (Henry Markram), директор проекта Blue Brain Project:

Статья описывает очень длительное исследование, в котором принимали участие учёные, инженеры, информатики и физики из многих стран. На протяжении первых десяти лет мы занимались, в основном, обратной разработкой ткани неокортекса. Мы изучали плотность клеток, какие типы клеток там встречаются, морфологию клеток, какие соединения они образуют с точки зрения анатомии, физиологию и электрофизиологию нейронов и экспрессию генов. Следующие десять лет мы разрабатывали алгоритмы и программную экосистему, которая позволила бы нам взять эти разрежённые данные и создать цифровую реконструкцию ткани неокортекса.

Как мы это сделали?

Позиционирование морфологически реконструированных нейронов

Объясняет доктор Эйлиф Маллер (Eilif Muller), руководитель секции клеток и цепей в отделе нейромоделирования проекта Blue Brain:

— Реконструкция начинается с размещения нейронных структур в трёхмерном виртуальном пространстве в соответствии с данными о плотности и пропорциях, полученными в результате экспериментов. За тем, чтобы размещение аксонов и дендритов соответствовало кортикальной архитектуре, следит алгоритм.

Цифровое моделирование связей

Говорит доктор Майкл Рейманн (Michael Reimann), участник проекта Blue Brain:

— Затем мы соединили нейроны. Мы начали с того, что определили места, где отростки расположены близко друг к другу. На месте контактов теоретически могут располагаться синапсы. Однако плотность контактов гораздо выше, чем плотность биологических синапсов, и не каждый контакт может сформировать функциональный синапс. Этот принцип хорошо известен и обоснован данными электронной микроскопии. Поэтому мы отфильтровали ряд контактов таким образом, чтобы они совпадали с основными экспериментальными данными. Фильтрация проводилась в соответствии с правилами конфигурации синаптических связей, которые мы и другие учёные выявили за несколько десятков лет. После фильтрации осталась конфигурация синаптических связей, которую мы сопоставили с различными экспериментальными данными.

Рассказывает профессор Хавьер ДеФелипе (Javier DeFelipe), директор проекта Cajal Blue Brain, Мадрид:

— За последние несколько лет в области нейроанатомии произошёл значительный прогресс. Но разобраться в том, как работает такая сложная структура, как мозг, с помощью одних только методов автоматизации вряд ли возможно. Решением проблемы нам видится интеграция данных в реалистичную модель. Удивительно, насколько хорошо модель прогнозирует данные и световой, и электронной микроскопии. К примеру, парасимпатическую иннервацию пирамидального нейрона и плотность синапсов в нейропилях.

Реконструирование нейрональной психологии

Профессор Идан Сегев (Idan Segev), директор отделения нейробиологии Еврейского университета в Иерусалиме (ивр. ‏האוניברסיטה העברית בירושלים‏‎):

— Перед нами стояла непростая задача: у нас есть сложная система, которую мы хотим понять. И, на мой взгляд, понять сложную систему — значит шаг за шагом её воссоздать. И каждый этап реконструкции — это ещё один шаг к пониманию. К примеру, мы знаем, что в неокортексе несколько типов клеток, но мы не знаем, сколько их. И одним из шагов к пониманию в рамках нашего проекта было объективное описание 11 типов клеток, типов электрических клеток. У каждого типа — свой паттерн импульсов. Это — шаг к пониманию.

Следующий шаг — создать математическую модель этих клеток, и мы использовали уравнение Ходжкина — Хаксли и построили симуляцию активности клеток. В конце концов, комбинируя эти штуки вместе, вы получаете музыку — электрическую активность нейронной сети, которая должна имитировать реальную биологическую сеть, которую вы пытаетесь понять.

Реконструирование синаптической психологии

Объясняет доктор Шрикантх Рамасвами (Srikanth Ramaswamy), участник проекта Blue Brain:

— Чтобы смоделировать синаптическую передачу, мы объединили данные об электрических и синаптических характеристиках, собранные за двадцать лет экспериментов, как в нашей собственной лаборатории, так и в научной литературе. Экспериментально было картировано менее 1% типов синаптических связей в нейронном микроконтуре неокортекса.

Вычислительные задачи

Профессор Феликс Шюрманн (Felix Schürmann), соруководитель проекта Blue Brain:

— Эта работа стала возможной благодаря преимуществам современных суперкомпьютеров. Чтобы создать точную симуляцию биофизики, нам пришлось выбрать временной шаг в 25 микросекунд. И на каждом шаге нужно было решать несколько миллиардов уравнений. Это возможно только если у вас есть суперкомпьютер.

Чему мы научились?

Генри Маркрам:

— Думаю, интересный аспект цифровой реконструкции — это то, что ты понимаешь, что не можешь измерить всё экспериментально. Но в то же время ты понимаешь, что тебе это и не нужно, потому что эти разрежённые данные обеспечивают достаточно ограничений, чтобы в первом приближении оценить нейронные микроконтуры.

Шрикантх Рамасвами:

— То, что реконструкция действительно делает это возможным и обеспечивает детальные прогнозы относительно анатомии и физиологии более 2000 типов синаптических связей — это большой шаг вперёд. Только 20 из них были изучены экспериментально.

Эйлиф Маллер:

— Удовлетворительным результатом этого исследования стало то, что реконструкция без дополнительной настройки параметров проявляет эмерджентные свойства, которые находятся в согласии с рядом экспериментов in vitro и in vivo. Более того, прозрачность цифровой репрезентации позволила нам проанализировать и понять механизмы, которые стоят за этими эмерджентными свойствами. Мы пришли к выводу, что фундаментальную роль в определении состояния сети играет изменение уровня кальция. В частности, мы обнаружили резкий кальций-опосредованный переход между синхронным и асинхронным состоянием нейронов.

Майкл Рейманн:

— И мы увидели, что во время этого самого резкого перехода нейронный контур приобретает очень интересные вычислительные свойства.

Участие сообщества

Шрикантх Рамасвами:

— Реконструкция доступна на онлайн-портале под названием Neocortical Microcircuit Collaboration Portal. Этот портал позволяет получить доступ и к данным, которые легли в основу реконструкции, и к моделям, которые мы создали в процессе реконструкции. Эти модели охватывают несколько уровней: ионные каналы, модели отдельных нейронов, детальные прогнозы более 2000 типов синаптических связей, а так же все статьи, которые мы использовали для валидации характеристик реконструкции.

Феликс Шюрманн:

— Чтобы провести реконструкцию и симуляцию микроконтура, мы разработали целую экосистему из более чем тридцати программных средств. Эти программные средства позволяют, к примеру, отслеживать морфологию отдельных клеток, создавать модели клеток, создавать симуляции, запускать эти симуляции и анализировать их. Мы собираемся поделиться этими программными средствами с научным сообществом.

Что дальше?

Генри Маркрам:

— Мы рассматриваем свою цифровую реконструкцию как модель каркаса, скаффолда. С одной стороны, мы можем добавить недостающие биологические данные: информацию о внеклеточном пространстве, щелевых соединениях клеток, глие, кровеносных сосудах, молекулярных путях внутри нейронов и синапсов, синаптической пластичности, модуляции нейронов и так далее. С другой стороны, мы можем учитывать обратную связь научного сообщества, постоянно уточнять реконструкцию и регулярно выпускать новые версии. В каком-то смысле, это платформа для воплощения нервного узла в кремнии.

ССЫЛКИ

Публикация «Reconstruction and Simulation of Neocortical Microcircuitry» — http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(15)01191-5.

Blue Brain Project — http://bluebrain.epfl.ch/.

Cajal Blue Brain project — http://cajalbbp.cesvima.upm.es/.

Neocortical Microcircuit Collaboration Portal — https://bbp.epfl.ch/nmc-portal/welcome.


Русский транскрипт подготовила Юлия Коровски.