科学家们已经创建了迄今为止最广泛和最详细的老鼠海马体和体感皮层区域的计算模型。这些模型和相关工具已向公众开放。
海马体被认为是大脑中特别有趣的区域。它与记忆的形成以及我们在环境中导航而不迷路的能力密切相关。相比之下，感官皮层对我们如何解释周围环境、执行动作以及大脑如何决定将注意力集中在哪里至关重要。尽管大量研究揭示了这些区域的许多方面，但它们之间复杂的相互作用——从单个突触和多种神经元类型到复杂的连接规则——仍然有许多未解之谜。为了增强我们的知识，瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员开发了这些区域的详细计算模型。通过组装这些区域的神经元并编写它们之间的相互作用代码，他们可以模拟大脑活动并研究每个组件在整体大脑功能中的作用。
与早期模型不同，这些新模型采用了它们所代表的大脑区域的精确三维几何形状。这一进展允许将来在任何新的实验发现上进行改进和测试。通过专注于创建全面的三维模型，研究人员可以考察更广泛的现象。
建模过程相当具有挑战性。理解这些大脑区域的规则并将其转换为计算机模拟需要许多熟悉这些概念的专家的贡献。因此，研究人员与全球80多名合作者合作，制作了这些大脑区域最大、最复杂的模型。蓝脑工程电路组的负责人阿曼多·罗马尼博士表示：“来自不同来源的数据整合和科学家之间的协作是这些模型的核心优势，尽管它们也带来了挑战。”他补充说，克服这些障碍使得模型更加稳健、灵活并可以为更广泛的科学社区所用。这些模型现在对研究人员开放，同时提供探索工具，并在四篇集中于不同方面的综合论文中进行了详细阐述。
第一篇论文《皮层微电路和中电路的建模与模拟第一部分》发表在期刊eLife上，强调了体感区域的解剖结构及其连接性。一个关键发现是大脑区域的形状影响了在其内部形成的网络结构，说明不同尺度的连接性如何相互作用以创建高度复杂的模式。蓝脑工程连通组的负责人迈克尔·瑞曼博士指出：“我们常常将局部和长程连接性视为独立系统。我们惊讶地发现这些系统是如何协同工作形成结构化网络的。”
第二篇论文与第一篇共同发布于eLife，涵盖了大脑区域的生理学及其在突触、神经元和网络 livelli的建模与验证。首席研究员詹姆斯·伊斯比斯特博士解释说，这使他们能够预测特定组件（如独特的连接模式）如何对皮层处理提供了他们实验同事的见解。三维模型使探索不同大脑区域之间的交流成为可能，甚至重建结合光遗传学和仅使用模拟方法的复杂实验，例如在特定神经元群体中创建损伤。
在第三篇论文中，发表在eLife上，模型得到增强，以包括突触可塑性——这一关键机制使得学习新信息成为可能。这篇论文深入探讨了当数百万个突触在in vivo条件下表现出可塑性时所出现的复杂规则，这些条件类似于生物大脑中的情况。首席研究员安德拉斯·埃克博士指出：“传统上，模拟侧重于来自实验室条件的可塑性规则。我们的目标是调查详细网络和in vivo场景中的可塑性。”
第四篇论文发表在PLOS Biology上，介绍了老鼠CA1区域的全面in silico模型，综合了从突触到网络级别的各种实验数据。这包括关于舍费尔侧支的见解——这些是海马电路中信息传递和突触可塑性的重要通路，以及神经递质乙酰胆碱的效应。罗马尼博士补充说：“每个组件都经过仔细测试和验证，我们让所有输入数据、假设和方法论透明可见。”该模型现在在hippocampushub.eu上可用，作为科学家的灵活资源，促进对海马体的进一步研究进行广泛分析。
此外，还有三篇期刊文章和三篇预印本手稿展示了模型对科学界的实用性。这些文章利用模型研究区域间处理、神经编码以及神经元连接性和活动之间的关系。可塑性模拟结果与电子显微镜数据的比较证实了对突触强度的预测效应。首席研究员埃加斯·桑坦德博士解释说：“我们早就认识到大脑网络是复杂的，并受到特定规则的支配；该模型使我们能够更深入地理解这些规则。”
