西达斯-西奈研究人员创造了最具生物真实感和最复杂的单个脑细胞计算机模型，数量之多无可比拟。他们的研究今天发表在同行评议的《细胞报告》杂志上，详细描述了这些模型将来如何回答神经系统紊乱的问题，甚至是人类智力的问题，这些问题是不可能通过生物实验来探索的。

“这些模型捕捉神经元为了相互交流而发出的电信号的形状、时间和速度，这被认为是大脑功能的基础，”cedas - sinai神经外科研究科学家、该研究的资深作者Costas Anastassiou博士说。“这让我们能够在单细胞水平上复制大脑活动。”

该模型首次结合了来自不同类型实验室实验的数据集，展示了单个神经元的电、遗传和生物活动的完整图景。阿纳斯塔西奥说，这些模型可以用来测试理论，而这些理论需要在实验室里进行数十次实验来检验。

“想象一下，你想调查50个不同的基因是如何影响一个细胞的生物过程的，”Anastassiou说。“你需要创建一个单独的实验来‘敲除’每个基因，看看会发生什么。通过我们的计算模型，我们将能够改变这些基因标记的配方，只要我们喜欢，并预测将发生什么。”

模型的另一个优点是，它们允许研究人员完全控制实验条件。阿纳斯塔西乌说，这为确定一个参数(比如神经元表达的蛋白质)导致细胞变化或疾病(比如癫痫发作)提供了可能。在实验室中，研究人员通常可以证明两者之间的联系，但很难证明原因。

“在实验室实验中，研究人员不能控制一切，”阿纳斯塔西乌说。“生物控制了很多。但在计算模拟中，所有参数都在创建者的控制之下。在模型中，我可以改变一个参数，看看它如何影响另一个参数，这在生物实验中是很难做到的。”

为了创建他们的模型，Anastassiou和他来自Anastassiou实验室的团队——神经内科和神经外科、理事会再生医学研究所和雪松西奈神经科学与医学中心的成员——使用了两组不同的数据，在小鼠初级视觉皮层上，大脑的区域处理来自眼睛的信息。

第一个数据集展示了数万个单细胞的完整基因图片。第二项研究将来自同一大脑区域的230个细胞的电反应和物理特征联系起来。研究人员使用机器学习来整合这两个数据集，并创建了9200个单个神经元及其电活动的逼真模型。

“这项工作代表了高性能计算的重大进步，”Keith L. Black医学博士说，他是雪松西奈神经外科主任和Ruth and Lawrence Harvey神经科学主任。“它也让研究人员有能力搜索细胞类型内部和之间的关系，并对大脑中细胞类型的功能有更深入的了解。”

这项研究是与位于西雅图的艾伦脑科学研究所合作进行的，该研究所也提供了数据。

计算生物医学系主任Jason Moore博士说:“由Anastassiou博士领导的这项工作很好地符合ceders - sinai的致力于将数学、统计和计算机科学与技术结合起来，以解决生物医学研究和医疗保健中的所有重要问题。”“最终，这种计算方向将帮助我们理解人类大脑最深层的奥秘。”

Anastassiou和他的团队下一步的工作是创建人类细胞的计算模型，以研究人类的大脑功能和疾病。