„ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke
description
Transcript of „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke
![Page 1: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/1.jpg)
Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
„„madSim“
ein Tool zur Simulation
biologischer neuronaler Netzwerke
![Page 2: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/2.jpg)
2Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
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 einbindennicht fassbare oder nicht beeinflußbare Parameter sollen keinen Einfluss auf das Ergebnis haben
Windkanal zur Simulation von Fahrtwind
Simulationsprogramm auf einem Rechner
![Page 3: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/3.jpg)
3Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
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
![Page 4: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/4.jpg)
4Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 5: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/5.jpg)
5Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
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
![Page 6: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/6.jpg)
6Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
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
![Page 7: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/7.jpg)
7Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
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
![Page 8: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/8.jpg)
8Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
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
![Page 9: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/9.jpg)
9Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
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
![Page 10: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/10.jpg)
10Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
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
![Page 11: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/11.jpg)
11Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
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
![Page 12: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/12.jpg)
12Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
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
![Page 13: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/13.jpg)
13Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 14: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/14.jpg)
14Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
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
![Page 15: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/15.jpg)
15Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 16: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/16.jpg)
16Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 17: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/17.jpg)
17Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 18: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/18.jpg)
18Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 19: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/19.jpg)
19Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 20: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/20.jpg)
20Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
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
![Page 21: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/21.jpg)
21Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 22: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/22.jpg)
22Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 23: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/23.jpg)
23Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 24: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/24.jpg)
24Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 25: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/25.jpg)
25Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 26: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/26.jpg)
26Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 27: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/27.jpg)
27Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 28: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/28.jpg)
28Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 29: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/29.jpg)
29Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 30: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/30.jpg)
30Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
SETi
![Page 31: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/31.jpg)
31Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 32: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/32.jpg)
32Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 33: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/33.jpg)
33Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
Neuro-Interaktive Simulation
![Page 34: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/34.jpg)
34Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 35: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/35.jpg)
35Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 36: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/36.jpg)
36Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 37: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/37.jpg)
37Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 38: „ madSim“ ein Too l zur Simulation biologisch e r neuronaler Netz w erke](https://reader036.fdocument.pub/reader036/viewer/2022070404/56813c53550346895da5d560/html5/thumbnails/38.jpg)
38Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim