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Three-dimensional reengineering of neuronal microcircuits : The cortical column in silico

Oberländer, Marcel

German Title: Rekonstruktion dreidimensionaler neuronaler Mikroschaltkreise : Die kortikale Säule in silico

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Abstract

The presented thesis will describe a pipeline to reengineer three-dimensional, anatomically realistic, functional neuronal networks with subcellular resolution. The pipeline consists of five methods: 1. "NeuroCount" provides the number and three-dimensional distribution of all neuron somata in large brain regions. 2. "NeuroMorph" provides authentic neuron tracings, comprising dendrite and axon morphology. 3. "daVinci" registers the neuron morphologies to a standardized reference framework. 4. "NeuroCluster" objectively groups the standardized tracings into anatomical neuron types. 5. "NeuroNet" combines the number and distribution of neurons and neuron-types with the standardized tracings and determines the neuron-type- and position-specific number of synaptic connections for any two types of neuron. The developed methods are demonstrated by reengineering the thalamocortical lemniscal microcircuit in the somatosensory system of rats. There exists an one-to-one correspondence between the sensory information obtained by a single facial whisker and segregated areas in the thalamus and cortex. The reengineering of this pathway results in a column-shaped network model of ~15200 excitatory full-compartmental cortical neurons. This network is synaptically connected to ~285 pre-synaptic thalamic neurons. Animation of this "cortical column in silico" with measured physiological input will help to gain a mechanistic understanding of neuronal sensory information processing in the mammalian brain.

Translation of abstract (German)

Die hier präsentierte Dissertation beschreibt eine Pipeline zum Nachbau dreidimensionaler, anatomisch realistischer, funktioneller neuronaler Netzwerke mit subzellulärer Auflösung. Die Pipeline besteht aus fünf Methoden: 1. "NeuroCount" ergibt die Anzahl und drei-dimensionale Verteilung aller neuronalen Zellkörper in großen Hirnregionen. 2. "NeuroMorph" ergibt verlässliche neuronale Rekonstruktionen, inklusive dendritischer and axonaler Morphologien. 3. "daVinci" registriert neuronale Morphologien in ein standartisiertes Bezugssystem. 4. "NeuroCluster" gruppiert die standartisierten Rekonstruktionen objektiv in anatomische Neurontypen. 5. "NeuroNet" kombiniert die Anzahl und Verteilung der Neuronen mit den standartisierten Rekonstruktionen und bestimmt die Anzahl synaptischer Kontakte, in Abhängigkeit von Neurontyp und Neuronposition, für jedwede zwei Neurontypen. Die entwickelten Methoden werden anhand des Nachbaus eines Netzwerkes im somatosensorischen System der Ratte demonstriert. Dort existiert eine eins-zu-eins Repräsentation zwischen der sensorischen Information, aufgenommen durch ein einzelnes Barthaar, und abgetrennten Bereichen im Thalamus und Kortex. Der Nachbau dieses Kreislaufes resultiert in einem zylinderförmigen Netzwerk Modell bestehend aus ~15200 anregenden kortikalen, durch Komparte- mente repräsentierten, Neuronen. Dieses Netzwerk ist mit ~285 präsynaptischen thalamischen Neuronen verbunden. Anregung dieser "kortikalen Kolumne in silico" mit gemessenen physiologischen Signalen, wird einen Beitrag zum Verständniß neuronalen Informationsverarbeitung in Säugetiergehirnen leisten.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Sakmann, Prof. Dr. Bert
Date of thesis defense: 16. December 2009
Date Deposited: 18. Jan 2010 10:35
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Uni-externe Einrichtungen
Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Medical Research
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Nervenzelle, Nervennetz, Anatomie, Dreidimensionale Bildverarbeitung, Computersimulation
Uncontrolled Keywords: Neuron , Neuron Network , Anatomy , Image Processing , Computer Simulation
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