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从头开始构建大脑：神经科学中的数学模型

几千年来，人类一直在担心神经系统的功能：试图了解感知和学习是如何发生的，情感和意识是什么，它们起什么作用，它们在进化过程中如何出现，各种外部和内部因素对神经系统发育和形成的影响是什么？人类和其他动物的系统。在神经科学和相关学科中，所有这些令人兴奋的主题都以一种或另一种方式解决。

神经生物学是研究人类和动物神经系统的结构，功能和发展的科学。脑科学是致力于人类大脑的一门狭窄学科。神经生物学涵盖组织的不同层次-从分子到系统，一方面平稳地进入分子生物学和生物化学，另一方面又使神经心理学（科学与心理学交界）。

有些人，如在远古时代，仍然断言不可能理解大脑的工作，或者否认大脑会引起我们的思想和意识，等等。尽管如此，实际上，在这一领域工作的科学正在做着巨大的贡献成功并正在迅速缩小我们对现有问题的理解的差距。在过去的几十年中，人类已经学会了神经细胞的恢复并学会了对干细胞进行编程以使其形成新的神经元[1]。我们还发现，通过神经的电刺激，瘫痪的脊髓损伤患者可以恢复独立移动的能力[2]。现在可以在早期阶段识别出许多神经系统疾病，而无需使用侵入性方法或长时间痛苦的扫描：对一个人的遗传信息进行相对简单的分析就可以甚至在症状发作之前就识别出许多神经退行性疾病，癫痫和运动障碍。现在可以创建详细的地图和可公开获得的数据库，其中包含有关特定基因如何与各种疾病或某些类型的行为相关联以及这些基因的产物的相互作用如何参与处理大脑中大量信息的信息。发现了用于处理有关人体空间位置信息的详细（在单个神经元的工作水平上）的机制-一种内部GPS，提供指导（这项工作被授予2014年诺贝尔奖）[10]。

神经科学历史上相对较新的发展之一是计算机方法的使用。它始于1950年代发展起来的单个神经元和小型网络的简单数学模型，如今发展迅速。计算神经科学现在包括多种方法，可以研究基本的低级过程和复杂的认知功能。

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图1.自下而上与自上而下的方法。 这两种方法是实现共同目标的不同途径的连续体的极端-准确解释了我们的大脑如何引起我们的思想。 通常，当前模型的认知和生物学准确性之间存在负相关。 但是，当认知局限性可以更好地理解生物学功能时，或者当生物学成为创建解释思维过程的模型的灵感时，这种负相关可以变成正相关。[3]
1. «-» vs «-». — , . , . , , [3].

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. , in vitro , , . JetBrains Research (in silico) : BCNNM (Biological Cellular Neural Network Modeling), .

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图2.模拟过程中细胞团的生长和分化。
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细胞生长

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轴突生长

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图3.模型中受伤后细胞动力学的例子。
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Computational Neuroscience

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  1. Takahashi, J. iPS cell-based therapy for Parkinson's disease: A Kyoto trial. Regenerative Therapy, 2020, ISSN 2352-3204. https://doi.org/10.1016/j.reth.2020.06.002.

  2. Angeli, C. A., Boakye, M., Morton, R. A., Vogt, J., Benton, K., Chen, Y., … Harkema, S. J. (2018). Recovery of Over-Ground Walking after Chronic Motor Complete Spinal Cord Injury. New England Journal of Medicine. doi:10.1056/NEJMoa1803588 (https://doi.org/10.1056/NEJMoa1803588)

  3. Kriegeskorte, N., & Douglas, P. K. (2018). Cognitive computational neuroscience. Nature Neuroscience. doi:10.1038/s41593-018-0210-5

  4. Caffrey, J. R., Hughes, B. D., Britto, J. M., and Landman, K. A. (2014). An in silico agent-based model demonstrates reelin function in directing lamination of neurons during cortical development. PLoS ONE 9. doi:10.1371/journal.pone.0110415

  5. Dingle, Y.-T. L., Boutin, M. E., Chirila, A. M., Livi, L. L., Labriola, N. R., Jakubek, L. M., et al. (2015). Three-dimensional neural spheroid culture: An in vitro model for cortical studies. Tissue engineering. Part C, Methods 21, 1274–1283. doi:10.1089/ten.TEC.2015.0135. 26414693

  6. Gerhard, F., Pipa, G., Lima, B., Neuenschwander, S., and Gerstner, W. (2011). Extraction of network topology from multi-electrode recordings: Is there a small-world effect? Frontiers in Computational Neuroscience 5. doi:10.3389/fncom.2011.00004

  7. .. . . , - 2018

  8. Wang, X., Gao, X., Michalski, S., Zhao, S., & Chen, J. (2016). Traumatic Brain Injury Severity Affects Neurogenesis in Adult Mouse Hippocampus. Journal of Neurotrauma, 33(8), 721–733. doi:10.1089/neu.2015.4097 (https://doi.org/10.1089/neu.2015.4097)

  9. Neuberger, E. J., Swietek, B., Corrubia, L., Prasanna, A., & Santhakumar, V. (2017). Enhanced Dentate Neurogenesis after Brain Injury Undermines Long-Term Neurogenic Potential and Promotes Seizure Susceptibility. Stem Cell Reports, 9(3), 972–984. doi:10.1016/j.stemcr.2017.07.015 (https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2017.07.015)

  10. https://www.scientificamerican.com/article/how-the-2014-nobel-prize-winners-found-the-brain-s-own-gps/



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