Multiscale theory of synapse function with model reduction by machine learning

通过机器学习进行模型简化的突触功能多尺度理论

基本信息

  • 批准号:
    10263653
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 113.46万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-08-01 至 2024-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary/Abstract This project constructs a unifying model that links synaptic morphodynamics, the fundamental process of learning and memory in the brain, to the underlying molecular signaling pathways that regulate it. The motivation for this work is a new class of machine learning methods for multiscale modeling that are a promising candidate for linking the disparate spatial and temporal scales involved, from s calcium events in nano-domains to actin reorganization on the order of minutes across a dendritic spine head. Previously, it has only been possible to study each of these scales in isolation. The project brings together experts in (1) modeling the biochemistry at synapses, (2) modeling the growth of the actin cytoskeleton, and (3) developing the theory and algorithms of multiscale modeling with machine learning. The result of this collaboration will be a milestone model in cellular neuroscience that mechanistically connects calcium signaling in dendritic spines to the growth of the actin cytoskeleton in spine remodeling. Currently, there are few models that can e ectively make predictions about actin structure formation based on changes in calcium in ux into the post-synaptic spine. Since the new data-driven models will be more computationally ecient than exact simulations, it will also be possible to incorporate them into coarse-scale models of synapses used in network simulations and in neuroengineering applications. Additionally, the methods developed in this work an important contribution to modeling in cellular neuroscience, particularly because they are data-driven and therefore widely applicable. Finally, the development of a suite of software tools for multiscale modeling with machine learning will catalyze future collaborations and scienti c developments in the neuroscience community, particularly using models that aim to connect cellular phenomena with mechanisms at sub-second resolution. Such models can potentially bene t the development of pharmaceutical targets for learning de cits associated with aging and neurological disorders such as Alzheimers.
项目总结/摘要 这个项目构建了一个统一的模型,连接突触形态动力学, 大脑中的学习和记忆,到调节它的潜在分子信号通路。动机 这项工作是一个新的机器学习方法的多尺度建模,是一个有前途的候选人 连接不同的空间和时间尺度所涉及的,从s钙事件在纳米域肌动蛋白 在树突棘头部上以分钟为单位进行重组。以前,只能研究 每一个都是孤立的。该项目汇集了(1)突触生物化学建模, (2)对肌动蛋白细胞骨架的生长进行建模;(3)发展多尺度的理论和算法 用机器学习建模。这项合作的成果将成为细胞神经科学的里程碑模型 它将树突棘中的钙信号与棘中肌动蛋白细胞骨架的生长机械地联系起来 重塑目前,很少有模型能够有效地预测肌动蛋白结构的形成 基于进入突触后棘的UX中钙的变化。由于新的数据驱动模型将更加 在计算上比精确模拟更精确,也有可能将它们纳入粗尺度 用于网络模拟和神经工程应用的突触模型。此外,方法 在这项工作中开发了对细胞神经科学建模的重要贡献,特别是因为它们 是数据驱动的,因此适用范围很广。最后,开发了一套多尺度的软件工具, 机器学习建模将促进神经科学领域未来的合作和科学发展 社区,特别是使用旨在将细胞现象与亚秒级机制联系起来的模型 分辨率这些模型可能贝内开发学习缺陷的药物靶点 与老年痴呆症等神经系统疾病有关。

项目成果

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专著数量(0)
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  • 资助金额:
    $ 113.46万
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  • 资助金额:
    $ 113.46万
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  • 资助金额:
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    2003
  • 资助金额:
    $ 113.46万
  • 项目类别:
Suppression of Arabidopsis Reproductive Actins
拟南芥生殖肌动蛋白的抑制
  • 批准号:
    6655612
  • 财政年份:
    2003
  • 资助金额:
    $ 113.46万
  • 项目类别:
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  • 批准号:
    5311554
  • 财政年份:
    2001
  • 资助金额:
    $ 113.46万
  • 项目类别:
    Priority Programmes
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  • 批准号:
    6316669
  • 财政年份:
    2000
  • 资助金额:
    $ 113.46万
  • 项目类别:
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