ゼロから脳を構築する:神経科学における数学的モデル

何千年もの間、人類は神経系の機能について心配していました:知覚と学習がどのように起こるか、感情と意識は何であるか、それらがどのような役割を果たしているか、進化の過程でどのように現れたか、神経の発達と形成に対するさまざまな外的および内的要因の影響は何かを理解する試みがなされました人間や他の動物のシステム。これらのエキサイティングなトピックはすべて、神経科学および関連分野で何らかの形で取り組んでいます。

神経生物学は、人間と動物の神経系の構造、機能、発達を研究する科学です。脳科学は、人間の脳に捧げられたより狭い分野です。神経生物学は、分子から全身まで、一方では分子生物学と生化学にスムーズに移行し、他方では神経心理学(心理学とのインターフェースにおける科学)まで、さまざまなレベルの組織をカバーしています。

一部の人々は、時の追悼のように、脳の働きを理解することは不可能であると主張し続けたり、脳が私たちの心や意識などを生み出すことを否定したりします。これらすべてにもかかわらず、実際には、この分野で働いている科学は巨大です成功し、既存の問題の理解におけるギャップを急速に埋めています。過去数十年にわたって、人類は神経細胞が回復することを学び、新しいニューロンを形成するように幹細胞を再プログラムすることを学びました[1]。また、神経の電気的刺激により、麻痺した脊髄損傷患者の自立歩行能力を回復できることもわかりました[2]。神経系の多くの疾患は、侵襲的な方法や長い痛みを伴うスキャンを使用せずに、早期に認識できるようになりました。人の遺伝情報を比較的簡単に分析することで、症状が現れる前でも、多くの神経変性疾患、てんかん、運動障害を特定できます。特定の遺伝子がさまざまな病気や特定の種類の行動にどのように関連しているか、これらの遺伝子の産物の相互作用が脳内の膨大な情報の流れの処理にどのように関与しているかに関する情報を含む詳細な地図と公開されているデータベースを作成することが可能になりました。身体の空間的位置に関する情報を処理するための詳細な(個々のニューロンの操作のレベルでの)メカニズムが発見されました-一種の内部GPS、オリエンテーションを提供する(この作品は2014年にノーベル賞を受賞した)[10]。

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図1.ボトムアップアプローチとトップダウンアプローチ。 これらの2つのアプローチは、共通の目標へのさまざまなパスの連続体の両極端です。つまり、脳がどのように心を生成するかを説明します。 一般に、現在、モデルの認知的精度と生物学的精度の間には負の相関関係があります。 しかし、認知の限界が生物学的機能のより良い理解を可能にし、生物学が思考過程を説明するモデルを作成するためのインスピレーションである場合、この負の相関は正の相関に変わる可能性があります[3]。
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図2.シミュレーション中の細胞塊の成長と分化。
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細胞の成長

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軸索の成長

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図3.モデルでの損傷後の細胞動態の例。
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Computational Neuroscience

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  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

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  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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