Blau Gehirn löst ein Jahrhunderte altes problem neuroscience
Neue Forschung erklärt, wie die Formen der Neuronen klassifiziert werden können, mit mathematischen Methoden aus dem Gebiet der algebraischen Topologie. Neurowissenschaftler können jetzt beginnen mit dem Aufbau einer formalen Katalog für alle Arten von Zellen im Gehirn. Auf diesem Katalog von Zellen, können Sie systematisch zuordnen der Funktion und Rolle in der Krankheit, die von jeder Art von neuron im Gehirn.
„Seit fast 100 Jahren, die Wissenschaftler haben versucht, dem Namen Zellen. Sie haben die Beschreibung Sie in der gleichen Weise, dass Darwin beschrieb die Tiere und die Bäume. Jetzt das Blue-Brain-Projekt entwickelt hat, einen mathematischen Algorithmus, um Objektiv zu klassifizieren die Formen der Neuronen im Gehirn“, erklärt Professor Henry Markram, Blue-Brain-Gründer und-Direktor. „Dies wird es ermöglichen, die Entwicklung einer standardisierten Taxonomie [Einteilung der Zellen in unterschiedliche Gruppen], in der alle Zellen im Gehirn, die helfen, die Forscher vergleichen Ihre Daten in einer zuverlässigeren Art und Weise.“
Das team mit führen Wissenschaftler Lida Kanari, haben einen Algorithmus entwickelt zu unterscheiden, die verschiedenen Formen der häufigsten Art von neuron in der Großhirnrinde — die pyramidalen Zellen. Pyramidenförmige Zellen sind unverwechselbar Baum-ähnlichen Zellen, aus denen sich 80% der Neuronen in der Großhirnrinde und, wie Antennen, sammeln von Informationen von anderen Neuronen im Gehirn. Im Grunde sind Sie den Redwood-Wäldern von Bäumen im Gehirn. Sie sind erregend, senden Wellen der elektrischen Aktivität durch das Netz, wie wir wahrnehmen, handeln und fühlen.
Der Vater der modernen Neurowissenschaften, Ramón y Cajal, zog erste pyramidenförmige Zellen, die vor über 100 Jahren, durch betrachten unter einem Mikroskop. Doch bis jetzt haben Wissenschaftler nicht, einen Konsens erreicht, die auf die Arten der Pyramidenzellen. Anatomen wurden zuweisen von Namen und debattieren die verschiedenen Arten im letzten Jahrhundert, während die Neurowissenschaft bisher nicht sicher sagen, welche Arten von Neuronen sind subjektiv geprägt. Auch für eine sichtbar unterscheidbare Nervenzellen, es gibt keine gemeinsame Basis, um konsequent zu definieren morphologischen Typen.
Siebzehn Arten von pyramidalen Zellen
Die Studie von Blue Brain beweist zum ersten mal, dass Objektive Klassifizierung dieser pyramidenförmigen Zellen ist möglich, durch die Anwendung von tools aus der algebraischen Topologie, der Zweig der Mathematik, das Studium der Form, Konnektivität und der Entstehung der globalen Struktur von lokalen Einschränkungen.
Blue Brain ist der Pionier bei der Verwendung der algebraischen Topologie zur Bewältigung ein breites Spektrum der Neurowissenschaften Probleme, und mit dieser Studie hat wieder einmal gezeigt, seine Wirksamkeit. In Zusammenarbeit mit Professoren Kathryn Hess, EPFL und Lief Levi von der Universität von Aberdeen, Blue Brain einen Algorithmus entwickelt, der Sie dann verwendet, um das Objektiv zu klassifizieren, siebzehn Arten von pyramidalen Zellen in der Ratte somatosensorischen Kortex. Die topologische Klassifizierung erfordert keine fachlichen input, und ist nachweislich robust sein.
Die Struktur der meisten Neuronen ähnelt einer komplexen Struktur, mit mehreren Niederlassungen Verbindung zu anderen Neuronen und kommunizieren über elektrische Signale. Wenn wir uns immer die längste (persistent) Komponenten der Nervenzelle Aufbau und zerlegen die kleineren Zweige, die können wir verändern, seine Baum-wie Struktur in einer barcode — ein mathematisches Objekt, das als Eingabe verwendet werden, für jede Maschine-learning-Algorithmus, wird die Klassifizierung der Neurone in verschiedene Gruppen.
„Arten“ von Gehirn-Zellen
Jedes neuron Klassifizierung ist geplagt von dieser Frage: zwei Zellen, die anders Aussehen, nur Teil eines Kontinuums ändert sich allmählich Unterschiede (wie unterschiedliche „Sorten“ von einer Spezies, z.B. verschiedene Arten von Hunde) oder sind Sie wirklich verschiedenen „Arten“ von Neuronen (z.B. Hunde, Katzen, Elefanten, etc.)? In anderen Worten, sind Sie diskrete oder kontinuierliche morphologische Variationen von einander? Dies kann beantwortet werden, indem die neue topologische Klassifizierung und Gruppierung der verschiedenen „Arten“ von Gehirn-Zellen, jede mit Ihrer eigenen charakteristischen Sorten.“
„Das Blue-Brain-Projekt Digital zu rekonstruieren und zu simulieren, um das Gehirn, und diese Forschung stellt eine der festen Grundlagen die benötigt werden, um alle Arten von Neuronen zusammen“, erklärt der Kanari. „Durch die Beseitigung der Mehrdeutigkeit von Zelltypen, den Prozess der Identifizierung der morphologischen Typ der neuen Zellen werden vollständig automatisiert.“
Dieser Durchbruch kann zum nutzen für die gesamte Neurowissenschaft Gemeinschaft, da er ein genaueres Verständnis des Zell-Taxonomie und eine zuverlässige vergleichende Methode. Die Objektive definition des morphologischen Typen ist ein Erster wichtiger Schritt hin zu einem besseren Verständnis des Gehirns die grundlegenden Bausteine: wie wird Ihre Struktur in Bezug auf Ihre Funktion, und wie die lokalen Eigenschaften von Neuronen verbunden sind, um Ihre langfristigen Projektionen. Diese Methode stellt eine universal-Deskriptor der Bäume, was bedeutet, dass es kann verwendet werden, für die konsistente Beschreibung aller Zelltypen im Gehirn, einschließlich die Neuronen, die alle Regionen des Gehirns und glia-Zellen.