신경과학 강화: 대규모 개방형 뇌 모델 공개

해마는 가장 매혹적인 뇌 영역 중 하나입니다. 기억 형성과 관련이 있으며, 길을 잃지 않고 세상을 탐색하는 데 도움이 됩니다. 반면 감각 피질은 우리가 환경을 인식하고 적절한 움직임을 하는 방식과 뇌가 무엇에 집중하고 무엇을 무시할지 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

두 영역 모두 광범위하게 연구되었고 많은 비밀이 밝혀졌지만, 개별 시냅스와 다양한 뉴런 유형의 동물원에서부터 이들 간의 자세한 연결 규칙에 이르기까지 상호 작용하는 부분의 높은 복잡성으로 인해 여전히 이에 대해 이해하지 못하는 부분이 많습니다.

EPFL 연구원들은 우리의 이해를 높이기 위해 이러한 영역에 대한 자세한 계산 모델을 구축했습니다. 이러한 영역을 구성하는 뉴런을 조립하고 컴퓨터 코드를 통해 상호 작용 규칙을 설명함으로써 이러한 영역에서 뇌 활동을 시뮬레이션하고 뇌 활동의 콘서트에서 각 부분의 역할을 연구할 수 있습니다.

이전 모델과 달리, 이 모델은 해당 뇌 영역의 정확한 3차원 기하학으로 구축되었습니다. 이를 통해 향후 새로운 실험 데이터로 모델을 개선하고 테스트할 수 있습니다. 이러한 일반적인 3차원 모델을 구축하는 데 집중함으로써 이 모델을 사용하여 광범위한 현상을 탐색할 수도 있습니다.

이것은 쉬운 과정이 아닙니다. 영역을 지배하는 규칙을 설명하고 이를 컴퓨터 시뮬레이션으로 전환하려면 이러한 규칙을 발견하고 알고 있는 많은 전문가의 의견이 필요했습니다. 따라서 연구자들은 전 세계 80명 이상의 동료와 협력하여 이러한 뇌 영역에 대한 가장 크고 자세한 모델을 개발했습니다. Blue Brain의 회로 그룹 그룹 리더인 Armando Romani 박사는 "여러 소스의 데이터를 통합하고 과학자 간의 협업이 이러한 모델의 강점이지만 과제도 있었습니다."라고 말했습니다. "이러한 장애물을 해결함으로써 모델은 더욱 견고하고 적응력이 뛰어나며 더 광범위한 과학 커뮤니티에서 접근하기 쉬워졌습니다." 그들은 이제 모델을 과학 커뮤니티에 공개적으로 공개했으며 이를 연구하고 사용하기 위한 도구도 함께 제공했습니다. 모델은 각각 다른 측면에 초점을 맞춘 4개의 광범위한 논문에 설명되어 있습니다.

eLife 저널에 게재된 Modeling and Simulation of Neocortical Micro- and Mesocircuitry. Part I에서 초점은 체성 감각 영역의 해부학과 그 연결성에 맞춰져 있습니다. 주요 통찰력은 뇌 영역의 모양이 뇌 네트워크의 구조에 영향을 미치고, 서로 다른 규모의 연결성이 어떻게 결합되어 매우 복잡한 패턴을 형성하는지에 대한 설명입니다. Blue Brain의 Connectomics 그룹 리더인 Michael Reimann 박사는 "우리는 때때로 지역적 연결성과 장거리 연결성을 별도의 시스템으로 생각하는 데 익숙합니다."라고 말합니다. "시스템이 어떻게 상호 작용하여 이러한 매우 구조화된 유형의 네트워크를 형성하는지 보는 것은 정말 놀랍습니다."

eLife 에 첫 번째 논문과 함께 게재된 2부에서는 뇌 영역의 생리학과 시냅스, 신경 및 네트워크 수준에서 어떻게 모델링하고 검증했는지에 대해 설명합니다. "이를 통해 특정 연결 패턴과 같은 뇌의 특정 구성 요소가 실험 동료들이 수행한 피질 처리에 대한 관찰에 어떻게 기여하는지에 대한 예측을 할 수 있었습니다." 수석 연구원인 제임스 이스비스터 박사가 설명합니다. "이 모델의 3D 기하학을 통해 뇌 영역 간의 통신을 연구할 수 있으며, 가장 흥미로운 점은 광유전학과 같은 복잡한 실험실 방법을 매우 특정한 집단 간의 병변과 같은 시뮬레이션에서만 가능한 접근 방식과 결합한 실험을 재현할 수 있다는 것입니다."

eLife 에 실린 세 번째 논문에서는 이 모델이 어떻게 시냅스 가소성 과정을 포함하도록 더욱 개선되었는지 설명합니다. 시냅스 가소성은 새로운 정보를 학습할 수 있게 해주는 기본 메커니즘입니다. 이 모델의 통찰력은 수백만 개의 시냅스가 생체 내 조건(예: 살아있는 뇌)에서 가소성을 겪을 때 나타나는 과정을 지배하는 복잡한 규칙과 관련이 있습니다. 수석 연구원인 안드라스 에커 박사는 "가장 오랫동안 시뮬레이션은 인공적 조건에서 실험실 실험에 기반한 가소성 규칙에 집중해 왔습니다."라고 지적합니다. "우리는 세부적인 네트워크와 생체 내 에서 가소성을 탐구하고 싶었습니다."

마지막으로, PLOS Biology 에 실린 네 번째 논문은 쥐 CA1 영역의 포괄적인 실리코 모델을 제시하며, 해마 회로에서 정보 전달과 시냅스 가소성을 위한 핵심 통로인 Schaffer collaterals와 신경전달물질인 아세틸콜린의 효과를 포함하여 시냅스에서 네트워크 수준까지 다양한 실험 데이터를 통합합니다. Romani 박사는 "각 구성 요소는 엄격하게 테스트되고 검증되었으며, 모든 입력 데이터, 가정 및 방법론을 완전히 투명하게 만들었습니다."라고 덧붙였습니다. "이제 hippocampushub.eu 에서 액세스할 수 있는 이 모델은 과학자에게 유연한 도구 역할을 하며 광범위한 분석과 추가 해마 연구를 지원하는 인터페이스를 제공합니다."

세 개의 추가 저널 기사와 세 개의 사전 인쇄 원고는 과학 커뮤니티에 대한 모델의 가치를 보여줍니다. 이 원고에서 모델은 영역 간 처리, 신경 코드, 뉴런 연결성과 활동 간의 관계를 연구하는 데 사용되었습니다. 가소성 시뮬레이션의 결과는 전자 현미경 데이터와 비교되었고 시냅스 강도에 대한 예측된 모티프 효과가 확인되었습니다. 수석 연구원인 에가스 산탄더 박사는 "우리는 뇌 네트워크가 복잡하고 특정 규칙을 따른다는 것을 오랫동안 알고 있었습니다."라고 설명합니다. "이 모델을 통해 우리는 이러한 규칙의 이유를 탐구하기 시작할 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241121141205.htm