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„madSim“ ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke

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Präsentation zum Thema: "„madSim“ ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke"—  Präsentation transkript:

1 „madSim“ ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke

2 Was ist Simulation? Durch Simulation werden Vorgänge oder Situationen möglichst originalgetreu so nachgebildet, dass man ein Ergebnis mit definierter Qualität erhält. z.B.: man tut so, als ob man krank wäre... möglichst viele reale Parameter (Einflussgrößen) der Gesamtsituation einbinden nicht fassbare oder nicht beeinflußbare Parameter sollen keinen Einfluss auf das Ergebnis haben Simulation braucht ein Trägersystem Mensch als „Simulant“ für Krankheit Windkanal zur Simulation von Fahrtwind Simulationsprogramm auf einem Rechner

3 Simulationsprogramm:
Berechnet den Zustand den ein System zu einem späteren Zeitpunkt einnehmen wird. -> von einem definierten Anfangszustand - unter Berücksichtigung der Einflußgrößen z.B.: Druckverteilung bei der Wettervorhersage

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5 Simulationsprogramm:
Berechnet den Zustand den ein System zu einem späteren Zeitpunkt einnehmen wird. -> von einem definierten Anfangszustand - unter Berücksichtigung der Einflußgrößen z.B.: Druckverteilung bei der Wettervorhersage H T

6 Simulationsprogramm:
Berechnet den Zustand den ein System zu einem späteren Zeitpunkt einnehmen wird. -> von einem definierten Anfangszustand - unter Berücksichtigung der Einflußgrößen. z.B.: Druckverteilung bei der Wettervorhersage H T

7 Simulationsprogramm:
Berechnet den Zustand den ein System zu einem späteren Zeitpunkt einnehmen wird. -> von einem definierten Anfangszustand - unter Berücksichtigung der Einflußgrößen. z.B.: Druckverteilung bei der Wettervorhersage H T

8 Simulationsprogramm:
Berechnet den Zustand den ein System zu einem späteren Zeitpunkt einnehmen wird. -> von einem definierten Anfangszustand - unter Berücksichtigung der Einflußgrößen. z.B.: Druckverteilung bei der Wettervorhersage H T

9 Simulationsprogramm:
Berechnet den Zustand den ein System zu einem späteren Zeitpunkt einnehmen wird. -> von einem definierten Anfangszustand - unter Berücksichtigung der Einflußgrößen. z.B.: Druckverteilung bei der Wettervorhersage H T

10 Simulationsprogramm:
Berechnet den Zustand den ein System zu einem späteren Zeitpunkt einnehmen wird. -> von einem definierten Anfangszustand - unter Berücksichtigung der Einflußgrößen. z.B.: Druckverteilung bei der Wettervorhersage H T

11 Simulationsprogramm:
Berechnet den Zustand den ein System zu einem späteren Zeitpunkt einnehmen wird. -> von einem definierten Anfangszustand - unter Berücksichtigung der Einflußgrößen. z.B.: Druckverteilung bei der Wettervorhersage H T

12 Prinzipielle Vorgehensweise bei einer Simulationsrechnung:
Ein Programm zur Simulation neuronaler Aktivität macht eine Vorhersage darüber, wie sich das Membranpotential einer Nervenzelle verändern wird. Prinzipielle Vorgehensweise bei einer Simulationsrechnung: Simulationsdauer festlegen Unterteilung des zu simulierenden Zeitabschnitts in möglichst kleine, gleich lange Zeitschritte (vernünftige Dauer: 0,01 ms = 10 µs = 1,0e-5 s) Architektur des Netzwerkes (Neurone und Synaptische Verbindungen) definieren möglichst realitätsnahe Angabe aller (fassbaren) Einflussgrößen individuell für jedes Neuron/Synapse z.B.: Gleichgewichtspotentiale von Na, K, Ca, Cl Ruhepotential Membrankapazität von Dendriten und Soma (Größe und Verzweigungsgrad) Eigenschaften von liganden- und spannungsgesteuerten Kanälen Art und Lokalisation von synaptischen Verbindungen Dynamik der Transmitterausschüttung (Freisetzungsschwelle, Sättigungspotential, max. Menge) ... je Neuron ca. 250 Einflussgrößen, je Synapse: ca. 50

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14 Prinzipielle Vorgänge bei einer Simulationsrechnung:
Berechnung des Zustandes den alle „Elemente“ (die das Membranpotenzial beeinflussen) einen Zeitschritt später haben werden. Änderung der Transmitterausschüttung an Synapsen Änderung des Stroms für jeden der vorhandenen Kanäle Einfluss elektrischer Reizungen Einfluss der neuronalen Segmente auf ihre Nachbarn (Dendriten, Soma) Membranpotential für jedes Segment berechnen (incl. Der passiven Eigenschaften wie Kapazität, Leckleitfähigkeit...) Aufgrund wechselseitiger Abhängigkeiten müssen manche Berechnungsschritte über Differentialgleichungen erfolgen wird die Amplitude des berechneten Parameters zu groß, gerät das System ins Schwingen

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20 Was bringt es Netzwerke von Neuronen zu simulieren?
Struktur/Funktionsanalyse durch Synthese Nachbau eines (Teil-) Nervensystems auf der Grundlage experimenteller Daten Vergleich mit den natürlichen Verhältnissen Mit dem nachgebauten System kann man Experimente durchführen, die in vivo oder in vitro nicht möglich sind Aus den Ergebnissen und Erfahrungen, die am simulierten Nervennetz gesammelt wurden, lassen sich experimentell überprüfbare Vorhersagen (Funktions-Hypothesen) ableiten, die dann im Realen Experiment überprüft werden können

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30 SETi

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33 Neuro-Interaktive Simulation

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