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Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke www.neurobio.de/madSim madSim ein Tool zur Simulation biologischer.

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1 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke

2 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 2 Was ist Simulation? Simulation braucht ein Trägersystem 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... Mensch als Simulant für Krankheit möglichst viele reale Parameter (Einflussgrößen) der Gesamtsituation einbinden nicht fassbare oder nicht beeinflußbare Parameter sollen keinen Einfluss auf das Ergebnis haben Windkanal zur Simulation von Fahrtwind Simulationsprogramm auf einem Rechner

3 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 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

4 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 4

5 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 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 HT

6 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 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 HT

7 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 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 HT

8 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 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 HT

9 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 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 HT

10 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 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 HT

11 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 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 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 12 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

13 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 13

14 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 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 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 20 Was bringt es Netzwerke von Neuronen zu simulieren? 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 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

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30 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 30 SETi

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33 Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke 33 Neuro-Interaktive Simulation

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