![Page 1: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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 FahrtwindSimulationsprogramm auf einem Rechner
![Page 3: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/4.jpg)
4Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 5: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/13.jpg)
13Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 14: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/15.jpg)
15Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 16: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/16.jpg)
16Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 17: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/17.jpg)
17Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 18: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/18.jpg)
18Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 19: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/19.jpg)
19Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 20: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/21.jpg)
21Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 22: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/22.jpg)
22Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 23: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/23.jpg)
23Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 24: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/24.jpg)
24Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 25: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/25.jpg)
25Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 26: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/26.jpg)
26Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 27: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/27.jpg)
27Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 28: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/28.jpg)
28Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 29: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/29.jpg)
29Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 30: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/30.jpg)
30Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
SETi
![Page 31: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/31.jpg)
31Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 32: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/32.jpg)
32Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 33: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/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: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/34.jpg)
34Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 35: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/35.jpg)
35Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 36: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/36.jpg)
36Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 37: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/37.jpg)
37Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim
![Page 38: Wolfgang Mader, 25. Mai 2011 madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke madSim ein Tool zur Simulation biologischer](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022062411/55204d6249795902118b6670/html5/thumbnails/38.jpg)
38Wolfgang Mader, 25. Mai 2011
madSim – ein Tool zur Simulation biologischer neuronaler Netzwerke
www.neurobio.de/madSim