神經學研究再突破 科學家成功運用電腦模擬幼鼠部分大腦

作者 | 發布日期 2015 年 10 月 14 日 14:07 | 分類 生物科技 follow us in feedly

瑞士的洛桑聯邦理工學院(EPFL)在 2005 年成立了一項藍腦計畫(blue brain project),並希望透過這個計畫以電腦先模擬出老鼠的大腦,進一步模擬出真正的人類大腦,最終目的希望了解人類複雜的大腦結構和運作方式。近期,科學家終於成功的利用電腦模擬了幼鼠的部分大腦,共列出 31,000 個大腦細胞和 207 不同類型的大腦細胞,有 3,700 萬種的連結方式,這樣的突破也成功幫助了科學家預測從未見過的一些大腦行為。



科學家團隊如何收集數據?

首先,他們在活的幼鼠大腦上執行數以萬計個實驗,將各種神經、突觸、和大腦細胞連結方式做分類,並在觀察老鼠的大腦細胞是如何傳送電波後,研究學者自行衍生出一套管理大腦細胞的排列準則。但這些成千上萬的實驗數據也只是大腦連結區域──新皮質區(neocortex)中的一小部分,不足已繪製出一個完整的模擬腦。因此,科學家透過電腦程式搜尋在現有文獻中所有神經是如何在新皮質區運作的數據,藉以完成這複雜的大腦拼圖。

在 EPBL 中執行藍腦計畫的 Henry Markham 提到,他們的團隊沒有辦法,也不需要為大腦做太多的判斷,它是一個擁有非常完整且有良好排列的結構組織,只要我們能以微觀的層面了解它的排列方式,就能從中得到許多消失的數據。

修改並刪除不可能的大腦細胞連結方式

在完成數據的收集後,科學家團隊運用不同神經是如何被分配去引導配置的準則,在電腦中建立了一個虛擬的 3D 神經模型。當這些神經被「觸摸」時,他們伸出突觸,在不同的神經中建立了超過 6 億種的連接方式,而後,再運用科學家歸納出的 5 種生物神經連接的準則,修改後並刪除大部分不可能的連接,結果得出了 3,700 萬種連接方式。

模擬大腦神經的傳送

做好充分的準備後,終於要測試這顆模擬腦中的神經傳動是否符合真實的老鼠腦。透過電腦模擬的幫助下呈現的老鼠大腦,科學家能輕鬆再現短短 25 微秒中超過十億次神經活動的狀態。運用在活老鼠身上做過的相同實驗,模擬腦也有著相同的反應,舉例來說,活老鼠的大腦和模擬腦都同樣有著「三重性」的神經傳送型態,也就是三個神經會在同一時間一起發送電波,大腦模擬也發現到這個「三重性」作動只會發生在某些特別的時間點。

除此之外,這個數位的大腦組織也讓科學家發現了如同「合唱團團員」的神經細胞,當他們周遭的細胞接收到訊息時,他們也會同時作動。而其餘的細胞則被科學家們稱為「獨唱者」,就算周遭的細胞接觸到訊息也不會一起作動,只會獨立的傳送接收到的訊息。

對於神經的全新理解

科學家也將這顆模擬鼠腦的研究應用在研究生物系統中,舉例來說,較高的鈣含量會將這顆虛擬的大腦轉換成睡眠模式,反之則會叫醒這顆沉睡的模擬腦。一名來自 EPFL 的物理學家 Eilif Muller 表示,當他們將鈣含量減少,藉以符合清醒動物的狀態時,他們發現在神經傳動的電波迴路中呈現了異步的方式,跟真實動物的大腦作動方式完全相符合。

當然,這也只是在藍腦計畫中的第一份草稿而已,要完全的了解並解讀大腦所帶來的訊息還需要了解其他的大腦細胞,像是神經膠質細胞、血管等。此外,研究學者也表示,這顆模擬腦只包含了獨立細胞之間的直接溝通,必須要能做出更逼真的模擬腦,才能解釋像是自由漂浮的大腦化學物質能一次影響大面積神經等神經調節的問題。

(首圖來源:EPFL) 

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