Praktyczne aspekty modelowania układu nerwowego

Praktyczne aspekty modelowania układu nerwowego

WYNIKI Z RAPORTÓW - update 16.06.07

UWAGI DOTYCZĄCE ZALICZENIA. Skala ocen po ostatnim raporcie, w nawiasie skala do predykcji oceny gdyby były wystawiane na podstawie dotychczasowych wyników:
60-72 (45-54): 3
73-84 (55-63): 3+
85-96 (64-72): 4
97-108 (73-81): 4+
109-120 (82-90): 5
121- (91- ): 6
Do końcowej oceny będzie wchodził wynik z raportu CPG. Będę oceniał 2 zadania, za każde będzie mozna dostać do 15 punktów. Z ostatniego tutoriala (piriform) nie będzie raportu, tylko na ostatnich ćwiczeniach pokażecie mi Panstwo waszą walkę z wybranym ćwiczeniem, która ocenię na zaliczenie i wystawię oceny według powyższej skali. Czekam na raporty do środy 20 czerwca, 21 czerwca wystawiam oceny.

Celem zajęć jest praktyczne wprowadzenie do technik modelowania układu nerwowego. Warsztaty towarzyszą cyklowi wykładów „Od neuronu do sieci: modelowanie układu nerwowego”.

Na pierwszych zajęciach przedyskutujemy potrzebę i możliwości modelowania w neuronauce i omówimy dostępne narzędzia do modelowania. Większą część kolejnych zajęć wypełnią przewodniki do symulatora GENESIS pozwalające na symulację układu nerwowego od wnętrza komórki po sieci. Będziemy też tworzyć proste stochastyczne i deterministyczne modele neuronów i analizować ciągi potencjałów czynnościowych w pakiecie MATLAB. Na zakończenie nauczymy się elementów programowania w GENESIS, co pozwoli nam dostosowywać zbadane wcześniej modele do naszych potrzeb i tworzyć nowe modele.

Po ukończeniu zajęć studenci będą lepiej rozumieli jak działa układ nerwowy na różnych poziomach i będą umieli tworzyć nieskomplikowane modele w GENESIS i w MATLABie, a także nauczą się jak rozbudowywać tę wiedzę w razie potrzeby.

Przedmiot będzie zaliczany na podstawie sprawozdań z ćwiczeń.

Literatura:

J.D. Bower, D. Beeman „The Book of GENESIS” (BoG)

Literatura pomocnicza:

C. Koch, I. Segev „Methods in Neural Modeling, 2^nd Edition”

Materiały do zajęć i dodatkowa literatura dostępne będą tutaj.

1. Wprowadzenie do modelowania układu nerwowego. (BoG 1, BoG 2, BoG 3)
2. Model Hodgkina-Huxleya. (BoG 4)
   
   Model Hodgkina-Huxleya jest paradygmatem neurobiologii obliczeniowej. Tą nazwą określamy często całą rodzinę modeli błony komórkowej uwzględniających szeroką gamę kanałów jonowych. Pomimo ponad 50 lat funkcjonowania model w swojej wersji podstawowej i różnych wariantach ciągle jest używany jako podstawy element w konstrukcji mniej lub bardziej realistycznych modeli komórek nerwowych i sieci takich komórek. Polecam Państwu oryginalne prace Alana Lloyda Hodgkina i Andrew Fieldinga Huxleya, za które w 1963 roku dostali nagrodę Nobla:
   
   
   1. Huxley AL, Hodgkin AF and Katz B. Measurement of Current-Voltage Relations in the Membrane of the Giant Axon of Loligo. Journal of Physiology 116: 424-448, 1952.
   2. Huxley AL and Hodgkin AF. Currents Carried by Sodium and Potassium Ions Through the Membrane of the Giant Axon of Loligo. Journal of Physiology 116:449-472, 1952.
   3. Huxley AL and Hodgkin AF. The Components of Membrane Conductance in the Giant Axon of Loligo. Journal of Physiology 116: 473-496, 1952.
   4. Huxley AL and Hodgkin AF. The Dual Effect of Membrane Potential on Sodium Conductance in the Giant Axon of Loligo. Journal of Physiology 116: 497-506,1952.
   5. Hodgkin AL and Huxley A. A Quantitative Description of Membrane Current and Its Application to Conduction and Excitiation in Nerve. Journal of Physiology 117: 500-544, 1952.
   Studenci Swarthmore College przygotowali użyteczną stronę poświęconą pracy Hodgkina i Huxleya.
   
   Christof Koch udostępnił rozdział swojej książki "Biophysics of Computation" poświęcony oryginalnemu modelowi Hodgkina-Huxleya na swojej stronie. Dla Państwa wygody wygenerowałem wersję pdf.
   
   Polecam też niedawną pracę przeglądową dyskutującą model HH w świetle badań ostatnich 50 lat: Meunier C. and Segev I. Playing the Devil's advocate: is the Hodgkin-Huxley model useful? Trends in Neurosciences, Volume 25, Number 11, 1 November 2002, pp. 558-563(6)
   
   Inną ciekawą pozycją jest klasyczny już dziś artykuł przeglądowy Alwyna Scotta: Alwyn C. Scott "The electrophysics of a nerve fiber", Rev. Mod. Phys. 47, 487 - 533 (1975)
   
   Warto też zajrzeć do książki Wulframa Gerstnera i Wernera Kistlera "Spiking Neuron Models", a konkretnie rozdział 2.2.
   
3. Modele przedziałowe drzewa dendrytycznego. (BoG 5)
   
   Dendryty to podstawowe elementy obliczeniowe mózgu. Złożona morfologia drzew dendrytycznych typowych komórek pozwala im na wykonywanie różnych skomplikowanych obliczeń. Żeby zrozumieć ich "implementację" musimy najpierw poznać własności transportu zmian potencjału w komórce. Pobudzenie wejściowe dowolnego punktu na skutek prądu wstrzykniętego elektrodą lub prądu synaptycznego po pewnym czasie dochodzi do dowolnego miejsca komórki nerwowej. Teoria kabla jest matematycznym opisem tych procesów.
   
   Przetwarzanie informacji w dendrytach stanowi obecnie przedmiot intensywnych badań. Przegląd niedawnych wyników można znaleźć w pracach:
   
   1. T. Euler i W. Denk "Dendritic processing"
   2. B. W. Mel "Information processing in dendritic trees"
   3. R. Yuste i D. W. Tank "Dendritic integration in mammalian neurons, a century after Cajal"
   4. I. Segev i M. London "Dendritic processing" (ten link na pewno działa w Instytucie Nenckiego)
      
   5. M. Hausser, N. Spruston, G. J. Stuart "Diversity of dendritic signaling"
   6. I. Segev i M. London "Untangling dendrites with quantitative models"
   7. M. Hausser i B. Mel "Dendrites: bug or feature?"
   8. M. London i M. Hausser "Dendritic computation"
      
   Artykuły te omawiają m.in. rolę aktywnych kanałów jonowych, bez których komórki nie mogłyby implementować niektórych operacji. Oto przykładowe dwa artykuły, które skupiają się na aktywnych własnościach drzew dendrytycznych:
   
   1. I. Segev i W. Rall "Excitable dendrites and spines: earlier theoretical insights elucidate recent direct observations"
   2. M. Migliore i G. M. Shepherd "Emerging rules for the distributions of active dendritic conductances"
   Na zakończenie polecam artykuł poświęcony roli pojedynczych neuronów w przetwarzaniu informacji w mózgu: C. Koch i I. Segev "The role of single neurons in information processing"
   
4. Potencjały postsynaptyczne. (BoG 6)
   
   Przetwarzanie informacji w dendrytach polega na czasowej i przestrzennej integracji pobudzeń synaptycznych. Zalezy ona od morfologii drzewa denrytycznego, rozkładu różnych typów kanałów jonowych na błonie komórkowej i ich własności. Przegląd niedawnych wyników badań na ten temat można znaleźć w pracy J. C. Magee "Dendritic integration of excitatory synaptic input".
   
5. Kanały jonowe w neuronach wysyłających serie. (BoG 7)
6. Ośrodkowe generatory wzorców lokomocji. (BoG 8)
7. Dynamika sieci korowej. (BoG 9)
8. Sygnalizacja biochemiczna w komórce nerwowej. (BoG 10)
9. Proste modele neuronów.
10. Analiza ciągów potencjałów czynnościowych.
11. Wprowadzenie do programowania w GENESIS. (BoG 11, BoG 12 i wybór z rozdziałów 13-19)

Wszelkie komentarze proszę przesyłać na mój adres(należy zmienić "_" na ".", a dalej wiadomo). Ta strona będzie się zmieniać z czasem, zapraszam do odwiedzin przed każdym wykładem.

Daniel Wójcik