Neue Methode zur Analyse von Daten, die von Tausenden von Neuronen generiert wurden
Forschende haben eine neue Methode entwickelt, mit der große Datenmengen analysiert werden können, die von Tausenden von Neuronen generiert werden. Dieser Durchbruch bei der Vorhersage des neuronalen Verhaltens in großen Netzwerken ist ein wichtiger Schritt, um zu verstehen, wie das Verhalten eines Organismus aus der Interaktion zwischen seinem Nervensystem, seinem Körper und seiner Umgebung entsteht. Die fragliche neue Methode ist ein einheitlicher Rahmen, mit dem die Schwankungen eines Systems und seine Empfindlichkeit gegenüber Parameteränderungen genauer abgeschätzt werden können. Dieses Werkzeug wurde mit Unterstützung des EU-finanzierten Projekts DIMENSIVE (Data-driven Inference of Models from Embodied Neural Systems In Vertebrate Experiments) entwickelt und eignet sich zur Erarbeitung von Methoden zur umfangreichen Analyse der biologischen und sozialen Dynamik im Nichtgleichgewicht. Eine den Rahmen beschreibende Studie wurde in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht. „Erst seit Kurzem haben wir die Technologie, Tausende einzelner Neuronen in Tieren zu erfassen, während sie mit ihrer Umgebung interagieren. Das ist ein enormer Fortschritt bei der Untersuchung von Neuronennetzwerken, die in Laborkulturen oder in immobilisierten oder anästhesierten Tieren isoliert wurden“, erklärte Dr. Miguel Aguilera vom DIMENSIVE-Projektkoordinator University of Sussex in einer auf der Website der Universität veröffentlichten Pressemitteilung. „Das ist ein sehr aufregender Fortschritt, aber wir haben noch nicht die Methoden, um die enorme, durch Nichtgleichgewichtsverhalten entstehende Datenmenge zu analysieren und zu verstehen. Unser Beitrag bietet die Möglichkeit zum Vorantreiben der Technologie. Es sollen Modelle gefunden werden, die erklären, wie Neuronen Informationen verarbeiten und Verhalten erzeugen“, so Dr. Aguilera, der Hauptautor der Studie.
Berücksichtigung stark schwankender Systeme
Der effizienteste Weg zum Verstehen großer Systeme sind statistische Modelle wie Molekularfeldmethoden, die sich besonders für Regime mit kleinen Schwankungen eignen. Aber diese Techniken funktionieren oft nur unter sehr idealisierten Bedingungen“, erläuterte Dr. Aguilera weiter. Genau genommen wirken eine große Anzahl biologischer Systeme in kritischen, stark schwankenden Regimen. „Das Gehirn befindet sich in ständiger Veränderung, Entwicklung und Anpassung, zeigt komplexe schwankende Muster und interagiert mit sich schnell ändernden Umgebungen. Unser Modell zielt darauf ab, die Schwankungen in diesen Situationen des Nichtgleichgewichts genau zu erfassen, die wir beim natürlichen Verhalten von Tieren in freier Natur erwarten.“ Das Forschungsteam wandte einen geometrischen Ansatz zur Molekularfeldnäherung an. Laut Mitautor Dr. S. Amin Moosavi von der japanischen Universität Kyoto „bietet uns die Informationsgeometrie einen klaren Weg, um unsere Methoden systematisch voranzutreiben und neue Ansätze vorzuschlagen, was zu genaueren Datenanalysewerkzeugen führt.“ Ein einheitlicher Rahmen von Molekularfeldtheorien ermöglicht die systematische Konstruktion von Molekularfeldmethoden im Einklang mit den statistischen Eigenschaften der von Forschenden untersuchten Systeme. Der Mitautor Prof. Hideaki Shimazaki, ebenfalls von der Universität Kyoto, bemerkte: „Der Rahmen bietet nicht nur fortschrittliche Berechnungsmethoden für große Systeme, sondern vereint auch viele bestehende Ansätze, mit denen wir die Neurowissenschaften und das maschinelle Lernen weiter voranbringen können. Wir freuen uns, eine so einheitliche Sichtweise anbieten zu können. Sie ist kennzeichnend für den wissenschaftlichen Fortschritt, der durch diese intensive internationale Zusammenarbeit erreicht wurde.“ Wie in der Pressemitteilung berichtet, werden diese Methoden nun verwendet, um Tausende von Zebrafischneuronen zu modellieren, die mit einer Umgebung der virtuellen Realität interagieren. Das ist die nächste Phase des Projekts DIMENSIVE, welches im Mai 2022 endet. Weitere Informationen: DIMENSIVE-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
DIMENSIVE, Neuron, einheitlicher Rahmen, Molekularfeldmethode, neuronales System