OpenWorm: design and evaluation of neural circuits on the virtual worm, caenorhabditis elegans

Abstract

Der Fadenwurm C. elegans ist, mit dem vollständig abgebildeten Konnekotm und das sequenzierte Genom, das am besten erforschte Tier weltweit. Dennoch, wie genau die Eigenschaften einzelner Neuronen und die Wechselwirkungen mit verbundenen Zellen unterschiedliche Verhaltensweisen hervorrufen, wie zum Beispiel die Fortbewegung, ist noch nicht bekannt. Aufgrund der hohen Nummer an noch nicht bekannten Parametern des Nervensystems, können verschiedene Hypothesen, über die notwendigen Bedingungen für das Einleiten von Verhalten, aufgestellt werden. In dieser Arbeit stellen wir ein neues, biologisch grundiertes, Modell eines neuronalen Netzwerkes vor, verantwortlich für die Generierung koordinierter Muskelaktivität, die dazu führt, dass sich der Wurm vorwärts bewegt. Das Modell umfasst, neben den Muskeln, einen Teil des Nervensystems des Wurms, welcher bekannt dafür ist für das Indizieren der Fortbewegung verantwortlich zu sein. Neuronen und Muskeln sind als Single-Compartment Zellen modelliert. Ihr Membranpotential wir mithilfe eines Hodgkin-Huxley Modell berechnet, welches beschreibt, wie sich das Membranpotential ändert, wenn sich Ionen durch die Membran hindurch bewegen. Wir implementieren unser neues Modell innerhalb der OpenWorm Plattform, um das Nervensystem und den Körper des Wurms zu Simulieren und zeigen, dass unser Modell in der Lage ist Vorwärtsbewegung einzuleiten. Um Wissenschafter zu Helfen ihre eigenen in silico Experimente mit OpenWorm zu definieren, erstellen wir ein Docker image welches eine Toolchain von OpenWorm Programmen und Skripten beinhaltet. Die generierten Daten über das Verhalten eines simulierten Wurms können mit Daten echter Würmer verglichen werden, um die Ergebnisse der Experimente zu Validieren.

With a completely mapped connectome and a sequenced genome, the nematode \textit