NeuroSim: Neural Simulation System with a Client-Server Architecture

Abstract

NeuroSim, a new simulation system for biological neural networks has been developed. It is based on a client-server architecture that is most effective for performing extensive calculations on high-powered computers, while control and visual results presentation are left to a personal computer. NeuroSim is platform-independent and provides a comfortable graphical user interface for all aspects of model definition and control of simulation results. The client part is responsible for designing the model and transferring the model description to a server which performs the calculations. The client has been developed in Java and can be run on any computer; it accesses a powerful server available over a network. The results of mathematical modelling performed on the server are uploaded to the user's computer for visual presentation and evaluation. One can observe membrane voltages and channels conductance curves; at the same time, an animation of the pulses propagating through the network connections and of neuron activations can be launched. In the first stage of the project the server for solving the system of differential equations has been realized on the base of the Genesis simulator. In the second stage our own C++ server for numerical integration has been implemented. It consists of the C++ classes of common neural elements in a hierarchical structure. They are easily extensible, in case of further development of the program for newly-arising modelling tasks. The functioning of the sensory neuron B21 of the mollusk Aplysia has been simulated as an illustration of using of NeuroSim for simulating of a real neurobiological system. The model of the cell was suggested based on the data of neurobiological experiments. The simulated behavior shows good agreement with experimental data. It can be used for analysis of spike initiation and its propagation mechanisms providing further insight into regulation mechanism of ``afferent transmission''. The simulation results propose further ideas for testing the structure of B21 and its functioning. The system has been integrated into the electronic chalkboard, E-Chalk. A free-hand drawing GUI has been realized to define a model of neurons, connections and their properties and perform the simulation control. It can be effectively used for educational purposes. Thus, NeuroSim has been designed as the tool for research modelling experiments as well as a powerful education software for presenting lecture material during neurobiological courses.

In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiges Simulationssystem für biologische neuronale Netzwerke entwickelt. Das Simulationssystem, NeuroSim, basiert auf einer Client-Server-Architektur, wobei ein leistungsfähiger Server für die umfangreichen Rechenoperationen zuständig ist und ein normaler PC zur Steuerung und zur Präsentation der Ergebnisse verwendet wird. Auf dem Server werden Lösungen für Differentialgleichungssysteme berechnet, die aus dem Ansatz des Compartmental Modelling entstehen. In der ersten Phase des Projekts wird Genesis-Simulator als Server verwendet. Die numerische Integration kann allerdings auch von einem dedizierten C++-Server durchgeführt werden. Dieser Server wurde in der zweiten Phase des Projekts als eine Bibliothek von C++-Klassen der häufig in der Modellierung vorkommenden neuronalen Elemente implementiert. NeuroSim ist plattformunabhängig und bietet eine graphische Benutzeroberfläche für die Modelldefinition sowie zur Steuerung der Simulationen. Das Java-basierte System kann sowohl als Applet in einem Browser (also auch über das Internet) als auch als betriebssystemunabhängige Applikation ausgeführt werden. NeuroSim wurde für die Simulation realer neurobiologischer Systeme entwickelt. Es wurde für die Erstellung des Modells des Sensorneurons B21 aus dem Mollusken Aplysia benutzt, das auf Daten neurobiologischer Experimente basiert. Die Modellergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den experimentell gewonnenen Daten. Deshalb können die Simulationsergebnisse zur Analyse der Spikeinitiierung und der Mechanismen ihrer Weiterleitung verwendet werden. So können weitere Einblicke in der Regulierungsmechanismus der ``afferent transmission'' gewonnen werden. NeuroSim ist darüber hinaus in die elektronische Tafel (E-Kreide) integriert. Die Benutzerschnittstelle wurde so angepasst, dass es möglich ist, freihändig ein Neuronen-Modell und Verbindungen zu definieren sowie die Simulation zu starten. NeuroSim kann sowohl für experimentelle Forschung als auch zu pädagogischen Zwecken - z. B. in neurobiologischen Vorlesungen - gewinnbringend eingesetzt werden.