摘要

研究人员开发了迄今为止最详细的关键脑区3D计算模型，包括海马体和感觉皮层，以更好地理解它们在记忆形成和连接中的作用。这些模型整合了解剖学和生理学数据，捕捉了突触可塑性和长程相互作用。通过模拟大脑活动，这些模型能够预测皮层处理过程，并为未来的实验验证提供工具。这些模型已向科学界公开，供进一步研究和改进。

关键事实

• 研究人员创建了整合海马体和感觉皮层解剖学、连接性和生理学数据的3D模型。

• 这些模型揭示了连接模式如何形成结构化的大脑网络，并通过突触可塑性实现学习。

• 模型已在公共平台上开放，支持全球研究和实验验证。

• 来源：瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）

研究背景

海马体是大脑中最引人入胜的区域之一，不仅与记忆形成相关，还帮助我们在世界中导航而不迷失方向。另一方面，感觉皮层在我们感知环境、做出适当动作以及大脑决定关注什么和忽略什么方面起着重要作用。尽管这些区域已被广泛研究，但由于其高度复杂性，从单个突触到不同类型的神经元，再到它们之间的详细连接规则，仍有许多未解之谜。

研究方法

为了更好地理解这些区域，EPFL的研究人员构建了详细的计算机模型。通过将这些区域的神经元组合起来，并通过计算机代码描述它们的相互作用规则，研究人员能够模拟这些区域的大脑活动，并研究每个部分在大脑活动中的作用。与之前的模型不同，这些模型基于相应脑区的精确三维几何结构构建，为未来利用新实验数据改进和测试模型打开了大门。

研究亮点

1. 解剖学与连接性
   发表在《eLife》上的第一部分研究聚焦于体感皮层的解剖学及其连接性。主要发现是脑区的形状影响了内部形成的脑网络结构，并描述了不同尺度的连接如何共同形成高度复杂的模式。

2. 生理学与实验验证
   第二部分研究描述了脑区的生理学及其在突触、神经元和网络层面的建模和验证。研究人员能够预测特定脑区组件（如特定连接模式）对皮层处理观察结果的贡献。

3. 突触可塑性
   第三部分研究进一步改进了模型，加入了突触可塑性过程，这是学习新信息的基本机制。研究揭示了在体内条件下数百万突触经历可塑性时出现的复杂规则。

4. 海马体CA1区模型
   发表在《PLOS Biology》上的第四部分研究提出了大鼠海马体CA1区的全面计算机模型，整合了从突触到网络层面的多种实验数据，包括信息传递和突触可塑性的关键通道——Schaffer侧支，以及神经递质乙酰胆碱的影响。

研究意义

这些模型为研究从神经编码到特定神经递质影响的现象提供了工具。研究人员还通过比较可塑性模拟结果与电子显微镜数据，验证了突触强度的预测模式效应。

未来展望

研究人员计划进一步扩展这些模型，探索更多脑区及其在健康和疾病中的作用。这些模型不仅为理解大脑功能提供了新工具，还为研究神经系统疾病（如帕金森病）的遗传变异奠定了基础。

关于本研究

• 作者：Emmanuel Barraud

• 来源：瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）

• 联系人：Emmanuel Barraud – EPFL

原始研究：

• “Modeling and Simulation of Neocortical Micro- and Mesocircuitry. Part I: Anatomy” by Michael Reimann et al. eLife

• “Modeling and Simulation of Neocortical Micro- and Mesocircuitry. Part II: Physiology and Experimentation” by James Isbister et al. eLife

• “Assemblies, synapse clustering and network topology interact with plasticity to explain structure-function relationships of the cortical connectome” by Andras Ecker et al. eLife

• “Community-based reconstruction and simulation of a full-scale model of the rat hippocampus CA1 region” by Armando Romani et al. PLOS Biology