16. September 2022 – Den ganzen Tag über senden und empfangen Ihre Gehirnzellen Nachrichten durch elektrische und chemische Signale. Diese Botschaften helfen Ihnen, Ihre Muskeln zu bewegen und Ihre Sinne zu nutzen – während Sie Ihr Essen schmecken, die Hitze eines Herdes spüren oder die Wörter auf dieser Seite lesen.
Wenn wir besser verstehen könnten, wie diese Nachrichten gesendet und empfangen werden, würden wir aussagekräftige Einblicke in die Gehirn-Körper-Verbindung gewinnen und Aufschluss darüber geben, was bei diesen Verbindungen passiert sind nicht arbeiten – wie bei Hirnerkrankungen wie Alzheimer und Parkinson.
Zu diesem Zweck haben Neurowissenschaftler am Cedars-Sinai in Los Angeles Computermodelle einzelner Gehirnzellen gebaut – die bisher komplexesten Modelle, wie sie sagen. Unter Verwendung von Hochleistungsrechnen und künstlicher Intelligenz oder KI werden die Modelle wie beschrieben erstellt im Tagebuch Zellberichteerfassen die Form, das Timing und die Geschwindigkeit der elektrischen Signale, die von den Neuronen genannten Gehirnzellen ausgelöst werden.
Die neue Forschung ist Teil eines jahrzehntelangen Strebens von Wissenschaftlern, die inneren Abläufe des Gehirns nicht nur kognitiv, sondern auch biologisch, genetisch und elektrisch zu verstehen.
Die berühmtesten frühen Forscher waren Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley und John Carew Eccles, die 1963 den Nobelpreis für Medizin für ihre Entdeckungen über Nervenzellmembranen erhielten.
„Heute ist ein einzigartiger Moment, in dem detaillierte Datensätze einzelner Neuronen in großen Mengen und für viele Zellen verfügbar sind“, sagt Studienautor Costas Anastassiou, PhD, ein Forschungswissenschaftler in der Abteilung für Neurochirurgie am Cedars-Sinai. „Die Größe und Geschwindigkeit von heute‘s Computer ermöglichen es uns, zu erkunden [detailed] Mechanismen auf Einzelzellebene – für jede Zelle.“
Wie modelliert man die Aktivität von Gehirnzellen mit einem Computer?
Es stellte sich heraus, dass die elektrischen Impulse, die Neuronen zur Kommunikation verwenden, mithilfe von Computercode repliziert werden können.
„Wir haben die unterschiedlichen Spannungswellenformen und Zeitverläufe dieser Impulse mit mathematischen Gleichungen nachgebildet“, sagt Anastassiou. Dann bauten sie Computermodelle mit Datensätzen aus Experimenten an Mäusen.
Diese Experimente messen bestimmte Dinge in den Zellen – wie ihre Größe, Form und Struktur oder wie sie auf Veränderungen reagieren. Jedes Zellmodell kombiniert all diese Elemente und kann dabei helfen, aufzuzeigen, wie sie sich verbinden.
Computermodelle können zwei wichtige Informationen in Einklang bringen: die zelluläre Zusammensetzung (Bausteine von Gehirnzellen) und die während der Gehirnaktivität beobachteten Muster. Mit Hilfe des Computers werden Zusammenhänge zwischen den Datensätzen deutlich. Dies könnte den Weg ebnen, um herauszufinden, was das Gehirn tatsächlich verändert, sagen die Forscher – ein entscheidender Schritt bei der Untersuchung von Störungen.
Was können uns Computer über das menschliche Gehirn sagen?
Eine der aufregenden potenziellen Anwendungen der Gehirnzellmodelle wäre es, alle Arten von Theorien über Gehirnerkrankungen zu testen, die durch Experimente im Labor nur schwer oder gar nicht zu erstellen wären. Darüber hinaus kann die Arbeit zu neuen Erkenntnissen über das Gehirn führen: wie ähnlich oder unterschiedlich Gehirnzellen sind, was sie verbindet oder unterscheidet und was das über ein Spektrum von Eigenschaften hinweg bedeutet.
Computer und Mathematik erzählen Geschichten über das Gehirn, und Anastassiou sagt für ihn, die Faszination rührt von der Einfachheit des Ergebnisses und dem Reichtum ihrer Auswirkungen her.
„Mich hat schon immer die Frage fasziniert, wie mathematische Gleichungen lebende, rechnende, biologische Zellen darstellen – insbesondere das Gehirn, das Epizentrum dessen, was uns menschlich macht“, sagt er.