Neuron (software) - Neuron (software)
Vývojáři | Michael Hines, John W. Moore a Ted Carnevale |
---|---|
Stabilní uvolnění | 7.4 / 5. dubna 2016 |
Úložiště | |
Napsáno | C, C ++, FORTRAN |
Operační systém | Cross-platform |
Typ | Simulace neuronů |
Licence | GNU GPL |
webová stránka | http://www.neuron.yale.edu/neuron/ |
Neuron je simulační prostředí pro modelování jednotlivců a sítí neurony. Byl vyvinut především Michaelem Hinesem, John W. Moore a Ted Carnevale v Yale a Vévoda.
Neuron modeluje jednotlivé neurony pomocí sekcí, které se automaticky dělí na jednotlivé oddíly, místo toho, aby uživatel musel ručně vytvářet oddíly. Primární skriptovací jazyk je hoc ale a Krajta rozhraní je také k dispozici. Programy lze psát interaktivně v prostředí shellu nebo načíst ze souboru. Neuron podporuje paralelizaci přes MPI protokol.
Neuron je schopen zacházet s modely difúzní reakce a integrovat difúzní funkce do modelů synapsí a celulárních sítí.[1] Paralelizace je možná pomocí interních vícevláknových rutin pro použití na vícejádrových počítačích.[2] Vlastnosti membránových kanálů neuronu jsou simulovány pomocí kompilovaných mechanismů napsaných pomocí jazyka NMODL nebo kompilovaných rutin pracujících na interních datových strukturách, které jsou nastaveny pomocí nástroje Channel Builder.
Spolu s obdobnou softwarovou platformou GENESIS, Neuron je základem pro výuku v výpočetní neurověda v mnoha kurzech a laboratořích po celém světě.
Uživatelské rozhraní
Funkce Neuron a grafické uživatelské prostředí (GUI), pro použití osobami s minimálními zkušenostmi s programováním. GUI je vybaveno stavitelem pro jedno a víceprostorové buňky, sítě, síťové buňky, kanály a lineární elektrické obvody. Buňky s jedním a více oddíly se liší tím, že buňky s více oddíly obsahují několik „sekcí“, z nichž každá má potenciálně odlišné parametry pro rozměry a kinetiku. Výukové programy jsou k dispozici na webu Neuron, včetně informací o získávání základních modelů z buněk, kanálů a stavitelů sítí.[Citace je zapotřebí ] S těmito tvůrci může uživatel tvořit základ všech simulací a modelů.
Tvůrce buněk
Cell Builder umožňuje uživateli generovat a upravovat buněčné struktury panáček. Tyto úseky tvoří základ funkčně odlišných oblastí neuronu.[3]
Uživatel může definovat funkčně odlišné skupiny sekcí. Sekce větvící se jeden od druhého lze označit jako „dendrity“, zatímco další, jediný oddíl, který vyčnívá ze stejné centrální části, lze označit jako „axon“. Uživatel může definovat parametry, podél kterých jsou určité hodnoty proměnné jako funkce v celé sekci. Například délku cesty podél podmnožiny lze definovat jako doménu, funkce, podél které lze potom definovat později.[4][5]
Uživatel si může vybrat buď jednotlivé sekce, nebo skupiny a nastavit přesné parametry pro délku, průměr, plochu a délku pro danou skupinu nebo sekci. Libovolnou z těchto hodnot lze nastavit jako funkci délky nebo jiného parametru odpovídající sekce. Uživatel může nastavit počet funkčních segmentů v sekci, což je strategie pro prostorové rozlišení. Čím vyšší je počet segmentů, tím přesněji dokáže Neuron zpracovat funkci v sekci. Segmenty jsou body, ke kterým lze přidružit manažery bodových procesů.[6]
Uživatelé mohou definovat kinetické a elektrofyziologické funkce napříč podmnožinami i sekcemi. Neuron je vybaven pravděpodobnostním modelem Hodgkin-Huxleyův model[7] kinetika obřích chobotnic axonů, stejně jako funkce modelování pasivních únikový kanál kinetika. Obě tyto funkce a vlastnosti, které popisují, lze přidat na membránu vytvořené buňky. Pro modelování lze nastavit hodnoty únikové rychlosti, vodivosti sodíku a vodivosti draslíku, tyto kinetiky lze nastavit jako funkce přes parametrizovanou doménu. Kanály budou k dispozici pro implementaci v buněčné membráně.
Channel Builder
Uživatel může generovat obojí Napětí - a kanál s ligandem modely. Tvůrce kanálů podporuje kanály místního bodu, obvykle používané pro jednotlivé velké kanály, jejichž funkce má být modelována, a obecné kanály, jejichž hustotu v buňce lze definovat. Lze definovat maximální vodivost, reverzní potenciál, citlivost ligandu, propustnost iontů a přesnou dynamiku přechodných stavů pomocí aktivačních a inaktivačních proměnných, včetně diferenciální vodivosti.[8]
Network and Network Cell Builder
Neuron umožňuje generování smíšených modelů naplněných jak umělými buňkami, tak neurony. Umělé buňky v podstatě fungují jako bodové procesy implementované do sítě. Umělé buňky vyžadují pouze bodový proces s definovanými parametry. Uživatel může vytvořit strukturu a dynamiku síťových buněk. Uživatel může vytvářet synapse pomocí simulovaných procesů bodů synapse jako archetypů. S parametry těchto bodových procesů lze manipulovat tak, aby simulovaly inhibiční i excitační reakce. Synapse lze umístit na konkrétní segmenty vytvořené buňky, přičemž se opět budou chovat jako bodové procesy, kromě toho, že jsou citlivé na aktivitu předsynaptického prvku. Buňky lze spravovat. Uživatel vytvoří základní mřížku síťových buněk, přičemž dříve dokončené síťové buňky bude brát jako archetypy. Je možné definovat spojení mezi zdrojovými buňkami a cílovými synapsemi v jiných buňkách. Buňka obsahující cílovou synapsi se stává postsynaptickým prvkem, zatímco zdrojové buňky fungují jako předsynaptické prvky. K definování síly aktivace synapse presynaptickou buňkou lze přidat váhy. Lze aktivovat možnost vykreslení pro otevření grafu špiček v čase pro jednotlivé neurony.
Simulace a nahrávání
Neuron je vybaven řadou simulačních nástrojů. Nejpozoruhodnější je, že obsahuje několik „bodových procesů“, což jsou jednoduché funkce v konkrétním segmentu buňky. Bodové procesy zahrnují simulace Napětí, náplast, jednoduchá elektroda a proud svorky, stejně jako několik simulovaných synapsí. Procesy bodu synapse se liší svou schopností modelovat intenzity stimulace, které se v průběhu času nelineárně mění. Mohou být umístěny na jakýkoli segment libovolné části vestavěné buňky, jednotlivce nebo sítě a lze definovat jejich přesné hodnoty, včetně amplitudy a doby trvání stimulace, doby zpoždění aktivace v běhu a parametrů časového rozpadu (pro synapse) z modulu point process manager. Při implementaci do sítě jako synapsí jsou parametry procesu bodu definovány v nástroji pro tvorbu synapse pro konkrétní síťovou buňku.[9] Grafy popisující osy napětí, vodivosti a proudu v čase lze použít k popisu změn elektrického stavu v místě kteréhokoli segmentu v buňce. Neuron umožňuje grafy změn jak v jednotlivých bodech v čase, tak v celé části v čase.[10][11] Lze nastavit dobu běhu. Všechny bodové procesy, včetně těch, které stojí za buňkami nebo synapsemi umělých neuronů, a všechny grafy odrážejí dobu trvání.
Příklady
Tento příklad vytvoří jednoduchou buňku s jediným oddílem soma a vícenásobný oddíl axon. Má dynamiku buněčné membrány simulovanou pomocí Hodgkin-Huxleyův chobotnicový axon kinetika. Simulátor stimuluje buňku a běží 50 ms.
// vytvořte dvě sekce, tělo neuronu a velmi dlouhý axonvytvořit soma, axonsoma { // délka je nastavena na 100 mikrometrů L = 100 // průměr je nastaven na 100 mikrometrů pr = 100 // vložte mechanismus simulující standardní kanály chobotnice Hodgkin – Huxley vložit hh // vložte mechanismus simulující vlastnosti pasivní membrány vložit pas}axon { L = 5000 pr = 10 vložit hh vložit pas // axon se simuluje pomocí 10 oddílů. Ve výchozím nastavení se používá jeden oddíl nseg = 10}// připojte proximální konec axonu k distálnímu konci somapřipojit axon(0), soma(1)// deklarovat a vložit proudovou svorku do středu somaobjref stimsoma stim = Nový IClamp(0.5)// definujte některé parametry stimulu: zpoždění, trvání (v ms) a amplituda (v nA)stim.del = 10stim.dur = 5stim.zesilovač = 10// načte výchozí soubor knihovny NEURON, který definuje rutinu běhuload_file(„stdrun.hoc“)// nastaví běh simulace na 50 mststop = 50// spusťte simulaciběh()
Lze vygenerovat graf znázorňující napěťové stopy počínaje somou a distálním koncem axonu. The akční potenciál na konci axonu dorazí o něco později, než se objeví v soma v místě stimulace. Graf je napětí membrány v závislosti na čase.
Reference
- ^ „Nové vydání NEURONU zahrnuje reaktivní difúzi! - NEURON“.
- ^ "www.neuron.yale.edu • Zobrazit téma - NEURON 7.0 je nyní k dispozici".
- ^ „Specify topology“.
- ^ „Specify subsets“.
- ^ „Set a SubsetDomainIterator“.
- ^ „Specify geometry“.
- ^ Hodgkin-Huxleyova charakterizace iontového proudu
- ^ "Vytvoření kanálu ze specifikace HH stylu".
- ^ Dokumentace PointProcess
- ^ "Vynesení proměnných z biofyzikálních modelů buněk v síti".
- ^ "Použít specifikaci modelu".
externí odkazy
- Webové stránky softwaru NEURON
- Kniha NEURON
- Výukový program pro neurony
- Výukový program pro konstrukci vzorového modelu
- Screenshot nástroje pro vytváření sítě, který zobrazuje dokončenou jednoduchou síť
- Vytvoření funkce popisující diferenciální vodivost několika iontů, přičemž délka parametrizované cesty úseku je považována za doménu
- Výukový program o funkcích nabídky Biofyzika v nástroji pro tvorbu buněk
- Soubor ZIP, který vytváří úplný model jednoduchého neuronu s grafy napětí vs. čas a napětí vs. vzdálenost napříč časem.
- Výukový program pokrývající základní použití řízení běhu, správců procesních bodů a grafů
- „Výukový program, který popisuje rozhraní a proces vytváření sítě“.