Проучването показва, че структурата на силата на неправилните невронни връзки съдържа скрит ред

Проучването показва, че структурата на силата на неправилните невронни връзки съдържа скрит ред

В мозъка нашето възприятие се създава от сложно взаимодействие на неврони, които са свързани чрез синапси. Броят и силата на връзките между специфични видове неврони обаче може да варира. Изследователи от Университетската болница в Бон (UKB), Университетската болница в Майнц и Университета Лудвиг Максимилиан в Мюнхен (LMU) заедно с изследователски екип от Института Макс Планк за мозъчни изследвания във Франкфурт като част от проекта, финансиран от DFG, Приоритетната програма „Компютърна свързаност“ (SPP2041) сега откриха, че структурата на привидно нередовните силни невронни връзки съдържа скрит ред. Това е от съществено значение за стабилността на невронната мрежа. Изследването вече е публикувано в научното списание „PNAS“.

Преди десет години конектомиката, т.е. създаването на карта на връзките между приблизително 86 милиарда неврони в мозъка, беше обявена за бъдещ крайъгълен камък в науката. Защото в сложните невронни мрежи невроните са свързани помежду си чрез хиляди синапси. Силата на връзките между отделните неврони е важна, защото е от решаващо значение за ученето и когнитивното представяне. "Въпреки това, всеки синапс е уникален и силата му може да варира с течение на времето. Дори експерименти, измерващи същия тип синапс в една и съща мозъчна област, дават различни стойности за синаптична сила. Въпреки това, тази експериментално наблюдавана променливост затруднява намирането на общи принципи." „Стабилната функция на невронните мрежи“, обяснява проф. Татяна Чуматченко, ръководител на изследователска група в Института за експериментална епилептология и когнитивни изследвания към UKB и в Института по физиологична химия към Университетския медицински център Майнц, мотивацията за провеждане на изследването.

Математика и лаборатория разумно съчетани

В първичния зрителен кортекс (V1) първо се записват зрителните стимули, които окото препраща през таламуса, контролна точка за сензорни впечатления в диенцефалона. Изследователите са разгледали по-отблизо връзките между невроните, които са активни в този процес. За да направят това, изследователите експериментално измерват съвместния отговор на два класа неврони към различни визуални стимули в модел на мишка. В същото време те използваха математически модели, за да предскажат силата на синаптичните връзки. За да обяснят тяхната лабораторно записана активност на такива мрежови връзки в първичната зрителна кора, те използваха така наречената „стабилизирана супралинейна мрежа“ (SSN). „Това е един от малкото нелинейни математически модели, които предлагат уникалната възможност за сравняване на теоретично симулирана активност с действително наблюдавана дейност“, казва проф. Лаура Бусе, ръководител на изследователска група в LMU Neurobiology. „Ние показахме, че комбинирането на SSN с експериментални записи на визуални реакции в таламуса и кората на мишката ни позволява да определим различни набори от силни връзки, които пораждат записаните визуални реакции във зрителната кора.“

Редът между силата на връзката е ключов

Изследователите открили, че има ред зад наблюдаваната променливост в силата на синапса. Например, връзките от възбудителни към инхибиторни неврони винаги са били най-силни, докато обратните връзки в зрителната кора са били по-слаби. Това е така, защото абсолютните стойности на синаптичните сили при моделирането - както в предишните експериментални изследвания - варираха, но все пак винаги се придържаха към определен ред. Следователно не абсолютните стойности са решаващи за хода и силата на измерваната дейност, а по-скоро относителните условия.

„Заслужава да се отбележи, че анализът на предишни директни измервания на синаптичните връзки разкри същото подреждане на синаптичните сили като нашата моделна прогноза, базирана само на измерени невронни отговори.“

Саймън Ренър, д-р, невробиология на LMU

Експерименталните записи на Renner за кортикална и таламична активност позволиха да се характеризират връзките между кортикалните неврони. "Нашите резултати показват, че невронната активност съдържа много информация за основната структура на невронните мрежи, която не е очевидна веднага от директните измервания на силата на синапсите. По този начин нашият метод отваря обещаваща перспектива за изследване на мрежови структури, които са трудни за експериментален достъп. " " обяснява д-р Наталия Крайнюкова от Института за експериментална епилептология и когнитивни изследвания в UKB и Института Макс Планк за мозъчни изследвания във Франкфурт. Това проучване е резултат от интердисциплинарно сътрудничество между лабораторията на проф. Бусе и проф. Чуматченко, които работят в тясно сътрудничество и въз основа на своя изчислителен и експериментален опит са изградили лаборатории.

източник:

Университетска болница в Бон

Справка:

Крайнюкова, Н. и др. (2022) In vivo извънклетъчни записи на таламични и кортикални визуални реакции разкриват правила за свързаност V1. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.

.