Neuroinformatyka to interdyscyplinarna dziedzina badawcza poświęcona przetwarzaniu i przepływie informacji w systemie nerwowym w celu zastosowania ich w systemach technicznych. Obejmuje tworzenie modeli obliczeniowych, narzędzi analitycznych i baz danych do udostępniania, integracji i analizy danych eksperymentalnych oraz rozwoju teorii na temat funkcji układu nerwowego. W kontekście INCF neuroinformatyka odnosi się do informacji naukowych na temat podstawowych danych eksperymentalnych, ontologii, metadanych, narzędzi analitycznych i modeli obliczeniowych układu nerwowego. Podstawowe dane obejmują eksperymenty i warunki eksperymentalne dotyczące poziomu genomowego, molekularnego, strukturalnego, komórkowego, sieciowego, systemowego i behawioralnego, we wszystkich gatunkach i preparatach zarówno w stanie normalnym, jak i nieuporządkowanym.
Można wyróżnić trzy główne podkategorie neuroinformatyki: tworzenie komputerowych modeli systemu nerwowego i procesów neurologicznych. tworzenie narzędzi do analizy i modelowania danych, tworzenie narzędzi służących do zarządzania i dzielenia się danymi,
Neuroinformatyka to dziedzina badawcza na pograniczu neurologii, informatyki, biotechnologii, kognitywistyki, medycyny, fizyki i matematyki.
Historia W 1989 roku Amerykański Narodowy Instytut Zdrowia Psychicznego (National Institute of Mental Health, NIMH), Amerykański Narodowy Instytut Nadużywania Leków (National Institute of Drug Abuse, NIDA) i Amerykański Narodowy Instytut Naukowy (National Science Foundation, NSF), trzy amerykańskie organizacje zleciły National Academy of Sciences założenie badań nad tworzeniem baz danych, dzieleniem się neurologicznymi danymi i zbadaniem w jaki sposób dziedzina informatyki może pomóc w stworzeniu narzędzi niezbędnych do zajęcia się danymi neurologicznymi, które z roku na rok były coraz większe i coraz trudniej było je składować i udostępniać w odpowiedni sposób.
W 1991 pojawiły się pierwsze pozytywne rekomendacje. Pozwoliły one NIMH, w tamtych czasach kierowanemu przez Allana Leshnera, na stworzenie instytucji „Human Brain Project” (HBP), której finansowanie rozpoczęto w 1993 roku. HBP było kierowane przez Stephena H. Koslowa razem z innymi amerykańskimi instytutami. W ciągu następujących 11 lat fundusze przeznaczone na HBP przekroczyły 100 milionów dolarów rocznie.
W międzyczasie Koslow starał się zwiększyć zasięg znaczenia neuroinformatyki przez Unię Europejską i Organizację Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (Organization for Economic Co-operation and Development, OECD) w Paryżu. Jego działania doprowadziły do stworzenia inicjatywy „Biological Informatics”, która była kierowana przez Koslowa i Jima Edwardsa.
International Neuroinformatics Coordinating Facility Komitet „Biological Informatics” zaprezentował GSF (Global Science Forum, nazwa zmieniona z Mega Science Forum) trzy rekomendacje dotyczące przeprowadzanych badań: W każdym kraju Unii Europejskiej oraz USA powinien zostać kontynuowany bądź stworzony program badawczy neuroinformatyki, każdy kraj powinien posiadać swój węzeł połączony z innymi, aby zapewnić koordynację w kraju i na świecie, Należy powołać International Neuroinformatics Coordinating Facility (INCF), które będzie sprawiać pieczę nad koordynacją i implementacją ogólnej sieci neuroinformatycznej, co zostanie osiągnięte dzięki integracji węzłów każdego z krajów, Należy stworzyć ogólnoświatowy schemat finansowania badań, nastawiony na jak najbardziej efektywne wspieranie badań w dziedzinie neuroinformatyki. Schemat miałby zakładać, że każdy kraj będzie wspierał finansowo badaczy pochodzących z tego kraju. GSF stworzyło plan biznesowy dla wspomnianej operacji stworzenia i wsparcia INCF, który został zaakceptowany w 2004 roku. Ostatecznie INCF zostało utworzone w 2006 roku w Sztokholmie, w Szwecji, w instytucie Karolinska, pod przewodnictwem Stena Grillnera. Dzisiaj, 17 krajów ma status członka w INCF (m.in. Niemcy, Polska, Szwecja, Szwajcaria i USA), a kilka innych państw czeka na decyzję o przyjęciu.
Celem działania INCF jest koordynacja międzynarodowych badań w dziedzinie neuroinformatyki. Ma ona swój wkład w rozwój i utrzymanie baz danych i infrastruktury aplikacji neuroinformatycznych. Celem wszystkich działań jest zapewnienie dostępu do danych o ludzkim mózgu i innych zasobów dla każdego badacza na świecie.
Od 2008 roku odbywa się doroczny Kongres INCF (największy kongres zrzeszający środowisko badawcze neuroinformatyków) na którym prezentowane są nowe publikacje. Kongres odbywa się w jednym z państw członkowskich INCF. Do tej pory Kongres odbył się w Sztokholmie, Pilźnie, Kobe, Bostonie i Monachium i Leiden.
Interdyscyplinarność neuroinformatyki Neuroinformatyka korzysta z innych nauk w następujący sposób: Biologia zapewnia dane molekularne od genów po zachowania komórek, Medycyna i anatomia zapewnia struktury synaps, Informatyka zapewnia bazy danych i narzędzia systemowe, Matematyka zapewnia modele, Chemia zapewnia neuroprzekaźniki. Neurologia korzysta ze wszystkich wymienionych powyżej nauk w celu zdobycia wiedzy na temat działania mózgu na różnych płaszczyznach. Specjaliści pomagają identyfikować unikatowe rodzaje komórek, ich elementy i połączenia atomowe. Funkcje kompleksowych molekuł, struktur oraz genetyczne mechanizmy regulujące pracę mózgu są ustalane przez specjalistów w dziedzinie chemii i biologii komórkowej. Obrazowanie mózgu dostarcza informacji o jego działaniu w trakcie mentalnej i behawioralnej aktywności. Specjaliści biofizyki i fizjologii badają procesy psychiczne wewnątrz komórek w sieciach neuronalnych. Dane z wszystkich tych dziedzin są analizowane i łączone, tworzone są z nich bazy danych i modele neurologiczne; w tym miejscu dziedziny łączą się w neuroinformatykę.
Neurologia dostarcza wiele różnych typów danych na których operuje neuroinformatyka, jak na przykład: Dane molekularne i komórkowe, Dane z organów i systemów (percepcja, ból, smak, system motoryczny i sensoryczny), Dane poznawcze (języki, emocje, neurologia socjalna, podejmowanie decyzji), Informacje o rozwoju (przeżycie komórek, formacje synaptyczne, urazy i ich regeneracja), Dane o chorobach i starzeniu się (autonomiczny system nerwowy, depresje, uzależnienia, utraty pamięci), Interfejsy mózg-komputer, Modele różnych systemów neuronowych.
Neuroinformatyka używa baz danych, Internetu, wizualizuje i analizuje wymienione wyżej dane z dziedziny neurologii.
Wykorzystywane technologie w dziedzinie neuroinformatyki Oprogramowanie Program BLAST Basic Local Alignment Search Tool to program tworzony przez Amerykańskie Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej (National Center for Biotechnology Information, NCBI) wykorzystujący algorytmy porównawcze (blastp) oraz tworzące macierz trafień (PSI-BLAST i DELTA-BLAST) do znalezienia pasującej do podanej sekwencji protein, nukleotydów lub transformowanych nukleotydów. W bazach danych znajdują się genomy ludzkie, a także rozmaite zwierzęce, np. psa, kota, krowy, królika itd.
Algorytm działa na zasadzie znalezienia podobieństw w łańcuchach protein na krótkich ich odcinkach. W przypadku macierzy trafień tworzona ona jest przy użyciu rodziny protein najbardziej zbliżonych do wejściowego łańcucha, co następnie służy do znalezienia dalszych protein pokrewnych.
Braininfo Braininfo to projekt Uniwersytetu Waszyngtońskiego stworzony w 1991 roku mający na celu pomoc w identyfikacji struktur w mózgu. Daje on możliwość przeglądania atlasów mózgu (specjalnych zbiorów zdjęć mózgu z wymienionymi wszystkimi strukturami). Braininfo posiada bazę 15000 takich struktur. Oferuje on poszukiwanie nie tylko na podstawie nazw, ale także na podstawie podobieństwa zadanego zdjęcia z wyglądu do zdjęć w bazie danych.
Carmen Code Analysis, Repository, and Modelling for e-Neuroscience (Analiza kodu, repozytorium oraz modelowanie dla e-neuroinformatyki) to projekt Plone Foundation założony w 2000 roku. Jego celem jest stworzenie wirtualnej platformy laboratoryjnej, co dałoby możliwość współpracy naukowcom z różnych zakątków świata. Nad projektem pracuje 20 naukowców z 11. brytyjskich uniwersytetów. Od 2006 roku pracują oni nad prototypem platformy. Aktualnie zespół badawczy prezentuje prototyp swojej platformy na rozmaitych kongresach badawczych.
iCognition iCognition to zbiór programów służących do przeprowadzania badań online oraz zbierania ich wyników w ten sam sposób. Projekt powstaje od 2009 roku, obecnie znajduje się w fazie testowej. Finalna wersja projektu będzie pozwalała na administrację wykonania badań poznawczych i behawioralnych.
ICTS Human Imaging Core Projekt rozpoczęty w 2010 roku pod przewodnictwem Dana Marcusa i Mikhaila Milchenko w Uniwersytecie Waszyngtońskim. Znajdują się w nim skany całego ciała wykonane tomografem komputerowym, rezonansem magnetycznym, skanerem PET, oraz ultradźwiękami. Wyzwaniem w tym wypadku jest utrzymanie danych (każdy skan ma wiele gigabajtów), a także zachowanie anonimowości badanych.
Sprzęt Funkcjonalny rezonans magnetyczny Funkcjonalny rezonans magnetyczny to główne narzędzie używane do uzyskania obrazu mózgu. Wykorzystuje się w nim magnetyczny rezonans jądrowy do obserwacji mózgu na zasadzie jego odpowiedzi na bodźce oraz zmianie w sposobie przepływu krwi – w chwili, gdy jakiś ośrodek w mózgu jest aktywny jednocześnie dopływa do niego więcej krwi. Do zbadania tych aktywności i przepływów krwi wykorzystywany jest kontrast zależny od poziomu tlenu i krwi (BOLD, Blood-Oxygen-Level Dependent contrast).
Funkcjonalny rezonans magnetyczny jest obecnie najczęściej używany do uzyskania obrazów wykorzystywanych później w neuroinformatyce.
Skaner PET Skaner PET to narzędzie działające na zasadzie zjawiska anihilacji pozytonów. Podczas zjawiska anihilacji wydzielane jest promieniowanie, które rejestrowane jest przez detektory. PET wykorzystuje fakt, że przy zmianach chorobowych następuje zmiana w metabolizmie cukrów. Promieniowanie wykorzystywane w badaniu powstaje w trakcie samego badania przez co jest to relatywnie bezpieczna metoda badania pacjenta.
Skaner PET to drugi po fMRI najczęściej używany sprzęt do uzyskania obrazów mózgu wykorzystanych później w neuroinformatyce.
Tomograf komputerowy Tomograf komputerowy to urządzenie działające na zasadzie detekcji promieniowania. Źródło promieniowania razem z detektorami porusza się dookoła badanego organu i wykonywana jest seria prześwietleń. Dane – obrazy wraz z informacją o pochłanianiu promieniowania przez poszczególne organy są zachowywane. Najczęściej do utworzenia kompletnego obrazu wykorzystywana jest transformata Fouriera.
Obecnie wykorzystywana jest trzecia i czwarta generacja tomografów, zaprezentowane niemalże równolegle w 1975 roku. Trzecia zakłada zestaw detektorów poruszających się zgodnie z lampą rentgenowską, czwarta posiada nieruchomy pierścień detektorów. Najnowsze wersje obecnych generacji są w stanie przeprowadzić jedno skanowanie w czasie poniżej sekundy.
Ultrasonograf Ultrasonograf to urządzenie używane do badania pacjentów za pomocą fali ultradźwiękowej. Wykorzystywane jest zjawisko rozpraszania, odbicia i rozchodzenia się fali ultradźwiękowej na granicy ośrodków. Zaletą badania ultrasonografem jest niska inwazyjność badania, wykorzystywane jest ono jednak do obrazowania mózgu dość rzadko, ponieważ wysoką dokładność obrazu przy użyciu ultrasonografu osiągnąć można tylko przy wysokich częstotliwościach, które pozwalają na obrazowanie tylko struktur położonych płytko (blisko skóry).
Programy badawcze w dziedzinie neuroinformatyki CONDRThe Comprehensive Neuro-oncology Data Repository (CONDR): A Research Infrastructure to Develop and Validate Imaging Biomarkers. Sarah Jost Fouke, Tammie L Benzinger, Mikhail Milchenko, Pamela Lamontagne, Joshua S Shimony, Michael R Chicoine, Keith M Rich, Albert H Kim, Eric C Leuthardt, Bart Keogh, Daniel S Marcus.