VisNEST – Visualization of Neural Brain Activity

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Die generelle Idee der Hirnsimulation ist das Gehirn unter Benutzung von großangelegten Simulationen zu rekonstruieren. Die Beziehungen zwischen Struktur und Dynamik auf verschiedenen Skalenebenen, von mikroskopischen Größen zu Netzen auf Hirngröße, zu verstehen, stellt eine erhebliche Herausforderung in den Neurowissenschaften dar und bringt eine große Menge an Daten hervor. Diese Daten müssen zeitnahe analysiert werden, um das simulierte Model zu verstehen und Einblicke in die Funktionsweise der unterschiedlichen Skalenebenen zu gewinnen.

Um Neurowissenschaftler zu unterstützen haben wir eine interaktive Visualisierung (VisNEST) im Rahmen der Jülich Aachen Research Alliance (JARA) entwickelt. VisNEST integriert verschiedene Datenmodalitäten, von geometrischen Daten bis hin zu einzelnen aktiven Neuronen in einem ganzheitlichen Ansatz, und läuft auf Desktop-Arbeitsplätzen sowie in CAVE-Umgebungen. Die Visualisierung wird genutzt, um gleichzeitig 32 auf das Sehen bezogene Hirnregionen eines Makak-Affens zu visualisieren.

  VR Group

Die durchschnittliche neuronale Aktivität wird auf die Hirnregionen des visuellen Cortex farblich kodiert. Die Grafik zeigt zusätzliche Simulationsdaten, z. B. die Aktivität von Neuronen (oben links) oder die Verbindungsstärken von Populationen innerhalb einer Region.

Das Design der Visualisierung ist darauf fokussiert Nutzern die Erkundung von räumlich-strukturierten Regionen und die Betrachtung derer durchschnittlichen neuronalen Aktivität zu ermöglichen, während sie interaktiv die zeitlich abhängigen Simulationsergebnisse betrachten. Um die Untersuchung der Simulationsergebnisse zu unterstützen haben wir vier Ansichten auf die Daten entwickelt: die Kontrollansicht, um einen schnellen Überblick über den Simulationslauf zu bekommen, die Populationsansicht, um den Nutzer in die Lage zu versetzen, kaskadierende Aktivierungsmuster von Populationsverhalten zu erkennen; die Verbindungsansicht, welche die Topologie der strukturellen Verbindung, die zur Simulation des Modells genutzt wird, aufzuzeigen; die Fluxansicht, welche den Nutzern ermöglicht die synaptische Aktivität pro Zeiteinheit zwischen den Regionen zu erkunden. Alle Ansichten sind mit der Selektion des Nutzers verknüpft und können zu jeder Zeit gewechselt werden. Dieser Ansatz hilft Wissenschaftlern die integrierten Datenmodalitäten zu verstehen und ein Verständnis für die Daten zu entwickeln.

 

Weitere Informationen

  1. Gemeinschaftsarbeit mit dem Institut für Neurowissenschaften und Medizin (INM-6), Forschungszentrum Jülich
  2. Finanziert im Rahmen der Jülich Aachen Research AllianceJARA-HPC