computational neuroscience - kfkicneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · lengyel...
TRANSCRIPT
![Page 1: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/1.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Computational Neuroscience
BSCS 2010
Zoltán Somogyvári
senior research fellow
KFKI Research Institute for Particle and Nuclear Physics
Supporting materials: http://www.kfki.hu/~soma/BSCS/
![Page 2: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/2.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Computational Neuroscience
Structure – Dynamics – Implementation – Algorithm – Computation - Function
![Page 3: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/3.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/ 3
The brain and the computer
![Page 4: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/4.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/ 4
Hierarchy of description
Mind
Brain
Body
Nervous System
Peripheral Central
Spinal Cord
Neurons Glial cells
Membrane potential Chemistry
Under treshold Action potential
Frequency Time patterns
?
![Page 5: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/5.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Brain of vertebrates (mammals)as visible with naked eye
human
rat
1. medulla oblongata2. pons3. cerebellum4. mesencephalon5. metencephalon
thalamus hypothalamus epithalamus
6. telencephalon ganglia basalis cortex
paleocortex archicortex
➢hippocampus, ... neocortex
➢lobus frontalis➢lobus parietalis➢lobus occipitalis➢lobus temporalis
1
2 34
5
6
5
![Page 6: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/6.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Elementary unit of the nervous system: The neuron
Parts of the neuron:dendritesoma
nucleusaxon
initial segmentterminal
synapse
gliamyelin sheath
Ranvier-nodes
6
Function:receptionintegration
reproductiontransmission
encodingoutput
communication
backgroundspeed up
amplification
![Page 7: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/7.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Types of neurons
Pyramidal cellin the cerebralcortex
Purkinje cellin thecerebellum
Bipolar cellin the retinal
Mitral cellin theolfactory bulbReticular cell
in the thalamus
![Page 8: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/8.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
The cellwith electronmicroscope
nucleuscytoplasmmembrane
lipid bilayerproteins
integralperipheral
extracellular space (EC)intracellular space (IC)
8
![Page 9: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/9.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Trough the cell membrane
Different permeability, for different ions and molecules
Forces of ion transport
Membrane transport, trough proteins• pumps (+energy!)• channels• transporters
9
![Page 10: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/10.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Discovery of the electricity in animals
10
Galvani, De Viribus - Electricitatis in Motu Musculari. 1792.
![Page 11: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/11.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
The electric neuron: resting potentialwith electrode
The phenomenon:Potential difference between the two sideEC and IC of the membrane
Reason:on the two different sides of the membrane: • different concentrations of ions on • the two side of the membrane• different permeability for different• ions
11
![Page 12: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/12.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
The generation of the resting potential
12
![Page 13: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/13.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
The electric neuron: action potentialwith electrode
What is the action potential?A short change in the membranepotential Time: 0 ms
Time: 1 ms
Time: 2 ms
Traveling action potential
The action potential is an 'all or none' phenomenon
firing threshold potential
resting potential
13
![Page 14: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/14.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/
Between two neuron: The synapse
14
Excitatory and inhibitory postsynaptic potentials
Ionotrophic (A) andmetabotrophic (B,C)receptors
![Page 15: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/15.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/ 15
Excitatory and inhibitory neurotransmittersGlutamat(information transmission)
Serotonin (mood, wake/sleep)
Acetlicholin(neuromuscular junction)
Noradneraline(arousal)
Dopamine (reward system, Parkinson disease,schizophrenia)
GABA-gamma aminobutyric acid(in the central neural system)
Glycine(in the periphery)
![Page 16: Computational Neuroscience - KFKIcneuro.rmki.kfki.hu/sites/default/files/biobase.pdf · Lengyel Máté: Biológiai alapok / Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi](https://reader031.vdocuments.pub/reader031/viewer/2022022117/5cae5e2f88c99383228cad6d/html5/thumbnails/16.jpg)
Lengyel Máté: Biológiai alapok /Modellek az idegrendszer-kutatásban - ELTE TTK, 2002 tavaszi félévhttp://www.rmki.kfki.hu/~lmate/kurz/