Los modelos informáticos podrían ser el siguiente paso para decodificar el cerebro

16 de septiembre de 2022: a lo largo del día, sus células cerebrales envían y reciben mensajes a través de señales eléctricas y químicas. Estos mensajes lo ayudan a hacer cosas como mover sus músculos y usar sus sentidos, cuando prueba su comida, siente el calor de una estufa o lee las palabras en esta página.

Si pudiéramos entender mejor cómo se envían y reciben estos mensajes, obtendríamos información valiosa sobre la conexión entre el cerebro y el cuerpo y arrojaríamos luz sobre lo que sucede cuando estas conexiones funcionan. no son trabajo, como ocurre con enfermedades cerebrales como la enfermedad de Alzheimer y la enfermedad de Parkinson.

Con ese fin, los neurocientíficos de Cedars-Sinai en Los Ángeles construyeron modelos informáticos de células cerebrales individuales, los modelos más complejos hasta la fecha, dicen. Usar modelos de computación de alto rendimiento e inteligencia artificial, o IA, como se describe en la revisión Informes de celdacapturar la forma, el tiempo y la velocidad de las señales eléctricas que disparan las células cerebrales llamadas neuronas.

La nueva investigación es parte de una búsqueda de décadas entre los científicos para comprender el funcionamiento interno del cerebro, no solo cognitivamente, sino también biológica, genética y eléctricamente.

Los primeros investigadores más famosos fueron Alan Lloyd Hodgkin, Andrew Fielding Huxley y John Carew Eccles, quienes ganaron el Premio Nobel de Medicina en 1963 por sus descubrimientos sobre las membranas de las células nerviosas.

«Hoy es un momento único en el que los conjuntos de datos detallados de neuronas individuales están disponibles en grandes cantidades y para muchas células», dice el autor del estudio, Costas Anastassiou, PhD, investigador del Departamento de Neurocirugía de Cedars-Sinai. «El tamaño y la velocidad de hoyLas computadoras nos permiten explorar [detailed] mecanismos a nivel de una sola célula – para cada célula.

¿Cómo se modela la actividad de las células cerebrales usando una computadora?

Resulta que los impulsos eléctricos que usan las neuronas para comunicarse pueden reproducirse usando un código de computadora.

«Reproducimos las formas de onda de voltaje y las distintas trayectorias temporales de estos pulsos usando ecuaciones matemáticas», explica Anastassiou. A continuación, construyeron modelos informáticos utilizando conjuntos de datos de experimentos con ratones.

Estos experimentos miden ciertas cosas en las células, como su tamaño, forma y estructura, o cómo responden a los cambios. Cada modelo de celda combina todos estos elementos y puede ayudar a revelar cómo se conectan.

Los modelos informáticos pueden reconciliar dos piezas esenciales de información: la composición celular (los componentes básicos de las células cerebrales) y los patrones observados durante la actividad cerebral. Con la ayuda de la computadora, los vínculos entre los conjuntos de datos se vuelven claros. Esto podría ayudar a allanar el camino para descubrir qué es lo que realmente hace que el cerebro cambie, dicen los investigadores, un paso crucial en el examen de los trastornos.

¿Qué nos pueden decir las computadoras sobre el cerebro humano?

Uno de los emocionantes usos potenciales de los modelos de células cerebrales sería probar todo tipo de teorías sobre trastornos cerebrales que serían difíciles o imposibles de crear a través de experimentos de laboratorio. Más allá de eso, el trabajo puede conducir a nuevos conocimientos sobre el cerebro: qué tan similares o diferentes son las células cerebrales, qué las conecta o las hace diferentes, y qué significa eso en una variedad de propiedades.

Las computadoras y las matemáticas cuentan historias sobre el cerebro, y Anastassiou dice de él que la fascinación proviene de la simplicidad del resultado y la riqueza de su impacto.

«Siempre me ha fascinado la cuestión de cómo las ecuaciones matemáticas representan las células vivas, computacionales y biológicas, especialmente para el cerebro, el epicentro de lo que nos hace humanos», dice.

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