Fusing Technik und mathematische Prinzipien Hilft Erstellen dynamischer Gehirn Modelle

Modelle des menschlichen Gehirns , auf Engineering Regelungstechnik gemustert, können einige Tag helfen Forschern zu steuern, neurologische Erkrankungen , wie Epilepsie , Parkinson und Migräne Laut einer Penn State Forscher, der mit Hilfe mathematischer Modelle der neuronalen Netze , aus denen komplexere Gehirnmodelleentstehen wird .

" Die Dual- Konzepte der Beobachtbarkeit und Steuerbarkeit wurden als eine der wichtigsten Entwicklungen in der Mathematik des 20. Jahrhunderts ", sagte Steven J. Schiff, das Pinsel Chair Professor of Engineering und Direktor der Penn State Zentrum für Neurotechnik. " Beobachtbarkeit und Steuerbarkeit Theoreme im Wesentlichen fest, dass , wenn Sie zu beobachten und zu rekonstruieren Variablen eines Systems kann , können Sie in der Lage, optimal zu steuern zu sein. Es ist unglaublich, diese theoretischen Konzepte in die Beobachtung und Steuerung von komplexen biologischen Systemen weitgehend abwesend gewesen . "

Diese technische Konzepte wurden ursprünglich für einfache lineare Phänomene entwickelt , aber wurden später überarbeitet, um den nicht-linearen Systemen. Solche Dinge wie Roboternavigation , automatisierte Flugzeuglandungen , Klimamodellen und menschlichen Gehirns erfordern alle nicht-lineare Modelle und Methoden .

" Wenn Sie alles, was überhaupt kompliziert beobachten wollen - in mehr als einen Teil - in der Natur, die Sie in der Regel nur zu beobachten eines der Teile oder eine kleine Teilmenge der vielen Teilen ", so Schiff , der auch Professor für Neurochirurgie, Ingenieurwissenschaften und Mechanik und Physik, und ein Mitglied der Fakultät der Huck -Institute der Biowissenschaften . "Der beste Weg , das zu tun ist, machen ein Modell . Nicht eine Nachbildung , sondern eine mathematische Darstellung , die Strategien verwendet, um aus den Messungen der ein Teil an die vielen , die wir nicht beobachten können, zu rekonstruieren. "

Diese Art von modellbasierten Beobachtbarkeit macht es heute möglich, Wettervorhersagen von bisher unerreichter Genauigkeit zu schaffen und ein Flugzeug landen automatisch ohne Eingreifen des Piloten .

" Brains sind viel härter als das Wetter ", sagte Schiff . " Im Vergleich dazu ist das Wetter ein Kinderspiel. "

Es gibt sieben Gleichungen, die Wetter regeln , aber die Anzahl von Gleichungen für das Gehirn ist unzählige , entsprechend Schiff . Eines der Probleme bei der Modellierung des Gehirns ist, daß neuronale Netzwerke im Gehirn nicht von Nachbar zu Nachbar verbunden . Zu viele Wege existieren.

" Wir produzieren und wurden machen Modelle der Netzwerke des Gehirns seit 60 Jahren ", sagte Schiff auf der jüngsten Jahrestagung der Amerikanischen Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften in Boston . " Wir tun das für kleine Stücke des Gehirns. Wie Netzhaut nimmt in einem Bild und wie das Gehirn dekodiert das Bild , oder wie wir generieren einfache Bewegungen sind Beispiele dafür, wie wir versuchen nun die Bewegungsgleichungen dieser begrenzten Stücke verkörpern . Aber War nie im Regelungstechniker Trick der Verschmelzung die Modelle mit den Messungen aus dem Gehirn das ist der Schlüssel - . . ein gutes Modell mit dem System ist gekoppelt synchronisieren "

Schiff ist für die Modelle, die die Teile des Gehirns, er studiert stellen suchen. Er schaut auf das Modell , um zu sehen , wenn sie zu simulieren , was er beobachtet und wenn er das Modell mit dem realen System zu verschmelzen. Er und seine Kollegen , mit Unterstützung durch die National Institutes of Health , erkunden eine Vielzahl von Regelstrategien für Epilepsie, Parkinson und Migräne.

Um dies mit Gehirnnetzwerken zu tun , die Forscher müssen oft von nur einem oder wenigen Knoten des Systems zu messen und versuchen, den Rest zu rekonstruieren.

"Wir müssen zu vereinfachen, und dann fragen , wie weit in diesem Netzwerk können wir rekonstruieren ? " fragt Schiff . " Wie weit können wir kontrollieren? "

Mit Hilfe der Gruppentheorie wird Schiff versuchen, diese Fragen zu beantworten . Gruppentheorie überprüft, ob die Eingänge auf diese Knoten können getauscht werden. Wenn eine reguläre Swap der Knoten endet mit dem gleichen Netzwerk , dann ist dies eine Symmetrie des Netzwerks. Eine solche Symmetrien zugrunde liegen leistungsfähige Möglichkeiten, um Modelle, die die zugrunde liegende Struktur im Gehirn Netzwerke stellen vereinfachen. Das Gehirn ist voll von solchen Symmetrien wie Neuronen verhaken sich in Ringe und Sterne- Muster .

"Aber 10 Milliarden Nervenzellen produzieren eine Reihe von möglichen Netzwerke , die niemand zu denken will", sagte Schiff . "Zum Glück , im Gehirn , Internet oder Stromnetz können wir beginnen, Symmetrien berücksichtigt werden. Wir brauchen nicht zu gehen , und geben Sie alle Einzelheiten , wie die Dinge miteinander verbunden sind , sondern nutzen Sie die zugrundeliegenden Symmetrien in diesen Netzwerken und produzieren Vertreter Netzwerken. "

Im Wesentlichen kann kompliziert Netze bis zu den einfacheren Netzwerken, die das darstellen, was die komplizierte tun gekocht werden. Gehirn Symmetrie ermöglicht Synchronität zu ergeben , und dies ist wichtig, da synchronisiert ist so wichtig, sowohl die normalen und abnormen Funktion der Gehirnnetzwerken .

Aufnahme von nur einer Elektrode aus dem Gehirn ist sehr einschränkend. Forscher und Kliniker benutzen nun Arrays von 100 oder mehr Elektroden, um Epilepsie zu studieren, aber Technologie bald bieten die Möglichkeit der Einführung eines 1.000 oder mehr Elektroden, die , wenn sie mit Modellen verschmolzen , wird uns ermöglichen, Aktivität tiefer in das Nervensystem zu rekonstruieren.

" Die Pathologie der Epilepsie oder Parkinson-Krankheit denken wir sind sehr " einfach ", im Vergleich zu vielen komplexer Aktivitäten, die wir in unserem Gehirn durchführen ", so Schiff . "Wenn sie mehr synchron als normal sie wirklich gut Rekonstruktionen erzeugen könnte , wenn mit Modellen verschmolzen . "

Diese vereinfachten Modelle sind nicht nur wichtig für diese bestimmte Krankheiten , sondern weil ein Treue Modell des Gehirns , eines, das Modelle alles im Detail , unmöglich sein, schaffen würde . Darüber hinaus würde ein solcher Großmodellen sehr ungenau sein , wenn sie einer regelungstechnischen Rahmen verwendet . Bei der Parkinson-Krankheit , Epilepsie oder Migräne modelliert einfacher und noch genau sein werden , dann werden andere Hirnerkrankungen oder Funktionen können auch modelliert und mit vereinfachten Modellen gesteuert werden.

Der Mechanismus unter Migräne Kopfschmerzen ist ein sehr langsamer Wellen , die durch die Hirnrinde ausbreitet. Schiff wird mit diesen technischen Prinzipien , diese Welle zu modellieren. Er und seine Kollegen nutzen diese Prinzipien auf Echtzeitsteuerung des Wellenphänomen im Gehirn zu tun .

"Es ist eine sehr aufregende Zeit , als wir die Ergebnisse der Verschmelzung dieser Technik und mathematischen Grundlagen mit der Beobachtung und Behandlung des Gehirns ", sagte Schiff , die der Autor von Neural Control Engineering ist : den Schwellen Kreuzung zwischen Regelungstheorie und Neurowissenschaften ( MIT Press, 2012) .