Bald auf EBRAINS: Große Modelle der Informationsverarbeitung in gehirnähnlichen Netzwerken
03.12.2024
Drei Studien, die kürzlich innerhalb eines Monats in der Fachzeitschrift Cerebral Cortex veröffentlichtwurden, stellen neue Modelle von Spike-Netzwerken im Gehirn vor. Elektrische Spikes von Neuronen spielen eine zentrale Rolle in der neuronalen Informationsverarbeitung. Mit Millionen von Neuronen und Milliarden von Synapsen ist die neue Generation offen zugänglicher Modelle ein leistungsstarkes Werkzeug, um die komplexe Dynamik in großen Netzwerken zu untersuchen. Anwendungsmöglichkeiten reichen von der neurowissenschaftlichen Grundlagenforschung bis zu neuromorphem Computing und Künstlicher Intelligenz. Auf der digitalen Infrastruktur EBRAINS können Forschende die neuen Netzwerkmodelle als anpassungsfähige Bausteine in ihren Untersuchungen einsetzen und sie über mehrere Größenskalen hinweg mit anderen Simulationswerkzeugen kombinieren.
„Spikes“, auch bekannt als Aktionspotenziale, sind elektrische Impulse, die ein Neuron an alle mit ihm verbundenen Zellen abfeuern kann. Diese Impulse dienen als grundlegende Kommunikationsform zwischen Neuronen und ermöglichen die Verarbeitung und Weiterleitung von Informationen im Gehirn. Die Art und Weise, wie diese Signale von den Neuronen ausgehen, kann mit verschiedenen Methoden gemessen werden. Praktische Einschränkungen verhindern jedoch die gleichzeitige experimentelle Verfolgung der Spikes von Hunderten von Zellen auf der Skala größerer Netzwerke.
Neue rechnergestützte Modelle mit erweiterter Netzwerkgröße und -komplexität geben nun einen Einblick in Phänomene des Gehirns, die bei Wechselwirkungen über große Spike-Netzwerke hinweg auftreten. Die mathematischen Modelle basieren auf abstrakten Netzen mit vereinfachten Punktneuronen und werden mit der Simulations-Software NEST auf EBRAINS untersucht. Sie bauen auf einem früheren Modell des lokalen Schaltkreises auf, welches das neuronale Netzwerk mit all seinen Nervenzellen unterhalb eines Quadratmillimeters kortikaler Oberfläche darstellte.
Die drei neuen Modelle spiegeln weitere Zelltypen, größere kortikale Volumina und die Integration der Konnektivität über längere Distanzen wider. Die Modelle berücksichtigen dabei die enorme Dichte der Verbindungen mit allen Neuronen und Synapsen, so wie in der Natur. Die Netzwerkdynamik kann so auf einer großen Skala untersucht werden, während das Verhalten der einzelnen Elemente an allen Stellen nachvollziehbar ist.
Untersuchungen über Größenskalen hinweg
Um noch tiefer zu gehen, können die Netzwerksimulationen zudem mit LFPy verbunden werden, einem Software-Werkzeug auf EBRAINS auf der Grundlage hochdetaillierter Neuronenmodelle und deren elektrischer Felder. In ähnlicher Weise verfügt NEST auch über eine Schnittstelle für die Co-Simulation mit The Virtual Brain auf EBRAINS. Dieses Werkzeug bildet die Netzwerkaktivität des gesamten Gehirns ab, wobei die Aktivität bestimmter Populationen von Nervenzellen jeweils zusammengefasst wird. Für Forschende ermöglicht dies „Multiskalen-Untersuchungen“ – von der makroskopischen Ebene des ganzen Gehirns über die Ebene großer Netzwerke aus einzelnen Neuronen bis hin zur Ebene morphologisch detaillierter Nervenzellen.
Weitere Informationen
Beschreibungen der Studien im Einzelnen und Stimmen der leitenden Wissenschaftlerinnen Prof. Dr. Sacha van Albada und Dr. Johanna Senk befinden sich auf der EBRAINS-Website (Englisch).
Group Leader - Theoretical Neuroanatomy
Team Leader - Future Simulation Architectures
