Cerebro De Rata Reconstruido En Una Computadora

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Una nueva simulación por computadora ha reconstruido la activación de las células del cerebro de una pequeña astilla del neocórtex del cerebro juvenil de rata.

Los científicos han recreado digitalmente una porción del cerebro de una rata juvenil, incluidas 31,000 células cerebrales, de 207 tipos diferentes, con 37 millones de conexiones.

El logro del cerebro simulado por computadora es parte del Proyecto Cerebro Azul, cuyo objetivo es crear un cerebro de rata y, finalmente, un cerebro humano dentro de una computadora.

Aunque la nueva simulación solo recrea una pequeña porción del cerebro de la rata, el resultado parece capturar parte del comportamiento fundamental de las neuronas, e incluso predijo un comportamiento cerebral que no se había encontrado antes, informaron los investigadores el jueves (8 de octubre). en la revista celular. [Ver imágenes del cerebro de rata digital]

Reuniendo datos

El equipo realizó por primera vez decenas de miles de experimentos en ratas juveniles vivas, catalogando minuciosamente los tipos de neuronas y sinapsis, o conexiones de células cerebrales. Después de observar el disparo de las células cerebrales de rata, los investigadores derivaron los principios que regían cómo se organizaban las células cerebrales.

Sin embargo, esos experimentos cubrieron solo una pequeña fracción de las conexiones en esta región del cerebro, llamada neocórtex. Para completar el resto de la imagen, el equipo usó un programa de computadora para buscar en toda la literatura existente otros datos sobre cómo funcionan las neuronas en la neocorteza.

"No podemos, y no tenemos, que medir todo", dijo en un comunicado el autor del estudio Henry Markram, director del Proyecto Cerebro Azul en la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) en Suiza. "El cerebro es una estructura bien ordenada, así que una vez que empiezas a entender el orden a nivel microscópico, puedes comenzar a predecir gran parte de los datos que faltan".

Conexiones de poda

A partir de ahí, el equipo creó un modelo de neuronas por computadora en 3D en un volumen virtual, utilizando reglas sobre cómo se distribuyen las diferentes neuronas para guiar su ubicación. Ellos crearon conexiones, o sinapsis, donde estas neuronas "tocaron", lo que llevó a unos 600 millones de conexiones entre neuronas, dijo el coautor del estudio Michael Reimann, un investigador de neuroinformática de la EPFL. A partir de ahí, utilizaron cinco reglas biológicas básicas sobre cómo se forman las conexiones para eliminar estas conexiones, dejando 37 millones de conexiones.

Luego, los investigadores integraron sus hallazgos de experimentos y otros equipos de investigación para reconstruir cómo funcionaban estas conexiones. El nuevo cerebro parece coincidir estrechamente con la conectividad que se encuentra en el tejido real estudiado con microscopios electrónicos.

Simulando neuronas disparando

Después de todo eso, el equipo finalmente estaba listo para ver cómo se disparaba el cerebro virtual. La simulación por computadora resolvió miles de millones de ecuaciones por cada 25 microsegundos de actividad neuronal.

El equipo realizó "experimentos" en el cerebro de rata virtual que imitaba los experimentos realizados en ratas reales.

Las neuronas digitales parecían comportarse como las neuronas físicas en el laboratorio. Por ejemplo, tanto el in silico y el tejido cerebral biológico mostró patrones de disparo de "triplete", en donde tres neuronas se disparan juntas en una secuencia cronometrada con precisión. La simulación del cerebro encontró que estos trillizos ocurrieron solo en momentos específicos.

El tejido cerebral digital también reveló neuronas "coristas", o células cerebrales cuya actividad está estrechamente sincronizada con la de sus células vecinas. Otras células, llamadas "solistas", parecen dispararse independientemente de sus neuronas vecinas. [10 cosas que no sabías sobre el cerebro]

Nuevas perspectivas

El tejido digital del cerebro de la rata también reveló nuevos hallazgos que podrían aplicarse a los sistemas biológicos. Por ejemplo, los niveles más altos de calcio cambiaron el tejido cerebral virtual a un patrón sin mangas, mientras que los niveles más bajos parecían despertar el tejido cerebral digital.

"Cuando disminuimos los niveles de calcio para igualar los que se encuentran en animales despiertos e introdujimos el efecto que esto tiene en las sinapsis, el circuito se comportó de forma asincrónica, como los circuitos neuronales en animales despiertos", dijo el autor principal del estudio Eilif Muller, físico de la EPFL. en la declaración.

Aún así, la nueva simulación del cerebro es solo un primer borrador, dijo Markram. Para obtener una representación más completa del cerebro, la simulación debería incluir otros tipos de células cerebrales, como la glía, así como los vasos sanguíneos. Los investigadores dijeron que el cerebro virtual solo incluye comunicaciones directas entre las células cerebrales individuales, pero una simulación más realista explicaría la neuromodulación, en la cual los químicos del cerebro que flotan libremente sintonizan el comportamiento de grandes franjas de neuronas de una sola vez, dijeron los investigadores.

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Suplemento De Vídeo: How we'll become cyborgs and extend human potential | Hugh Herr.




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