Computermodellen kunnen volgende stap zijn in decodering hersenen
Door Mary Brophy Marcus
16 september 2022 - De hele dag door sturen en ontvangen je hersencellen berichten via elektrische en chemische signalen. Deze boodschappen helpen je dingen te doen zoals je spieren bewegen en je zintuigen gebruiken - zoals je eten proeven, de hitte van een fornuis voelen of de woorden op deze pagina lezen.
Als we beter zouden begrijpen hoe deze boodschappen worden verzonden en ontvangen, zouden we een krachtig inzicht krijgen in de verbinding tussen hersenen en lichaam en licht werpen op wat er gebeurt als deze verbindingen niet werken - zoals bij hersenziekten als Alzheimer en Parkinson.
Daartoe hebben neurowetenschappers van Cedars-Sinai in Los Angeles computermodellen gebouwd van individuele hersencellen - de meest complexe modellen tot nu toe, zeggen ze. De modellen, zoals beschreven in het tijdschrift Cell Reports, maken gebruik van krachtige computers en kunstmatige intelligentie, de vorm, timing en snelheid van de elektrische signalen die hersencellen, neuronen genaamd, afgeven.
Het nieuwe onderzoek maakt deel uit van een decennialang streven van wetenschappers om de innerlijke werking van de hersenen te begrijpen, niet alleen cognitief maar ook biologisch, genetisch en elektrisch.
De beroemdste vroege onderzoekers waren Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley en John Carew Eccles, die in 1963 de Nobelprijs voor geneeskunde wonnen voor hun ontdekkingen over zenuwcelmembranen.
"Vandaag is een uniek moment waarop gedetailleerde datasets van afzonderlijke zenuwcellen beschikbaar zijn in grote hoeveelheden en voor vele cellen," zegt studieauteur Costas Anastassiou, PhD, een onderzoekswetenschapper van de afdeling Neurochirurgie van Cedars-Sinai. "De omvang en snelheid van de hedendaagse computers stelt ons in staat om [gedetailleerde] mechanismen op celniveau te onderzoeken - voor elke cel."
Hoe modelleer je de activiteit van hersencellen met behulp van een computer?
Het blijkt dat de elektrische pulsen die neuronen gebruiken om te communiceren kunnen worden nagebootst met behulp van computercode.
"We hebben de verschillende spanningsgolfvormen en tijdspaden van deze pulsen nagemaakt met wiskundige vergelijkingen", zegt Anastassiou. Vervolgens bouwden zij computermodellen met behulp van datasets van experimenten met muizen.
Deze experimenten meten bepaalde dingen in de cellen - zoals hun grootte, vorm en structuur, of hoe ze reageren op veranderingen. Elk celmodel combineert al deze elementen en kan helpen onthullen hoe ze samenhangen.
Computermodellen kunnen twee kritieke stukjes informatie met elkaar in overeenstemming brengen: de cellulaire opbouw (bouwstenen van hersencellen) en de patronen die tijdens hersenactiviteit worden waargenomen. Met behulp van de computer worden verbanden tussen de gegevens duidelijk. Dit zou de weg kunnen banen om te ontdekken waardoor de hersenen werkelijk veranderen, aldus de onderzoekers - een cruciale stap bij het onderzoek naar stoornissen.
Wat kunnen computers ons vertellen over het menselijk brein?
Een van de opwindende potentiële toepassingen van de hersencelmodellen zou zijn om allerlei theorieën over hersenaandoeningen te testen die moeilijk of onmogelijk via experimenten in het lab te creëren zijn. Bovendien kan het werk leiden tot nieuwe inzichten over de hersenen: hoe vergelijkbaar of verschillend hersencellen zijn, wat hen verbindt of verschillend maakt, en wat dat betekent over een spectrum van eigenschappen.
Computers en wiskunde vertellen verhalen over de hersenen, en Anastassiou zegt dat voor hem de fascinatie voortkomt uit de eenvoud van de uitkomst en de rijkdom van hun effecten.
"Ik ben altijd gefascineerd geweest door de vraag hoe wiskundige vergelijkingen levende, rekenkrachtige, biologische cellen weergeven - in het bijzonder de hersenen, het epicentrum van wat ons menselijk maakt," zegt hij.
