Un estudio muestra que la estructura de las conexiones neuronales irregulares contiene un orden oculto

Un estudio muestra que la estructura de las conexiones neuronales irregulares contiene un orden oculto

En el cerebro, nuestra percepción se crea mediante una compleja interacción de neuronas que están conectadas mediante sinapsis. Sin embargo, la cantidad y la fuerza de las conexiones entre tipos específicos de neuronas pueden variar. Investigadores del Hospital Universitario de Bonn (UKB), el Hospital Universitario de Maguncia y la Universidad Ludwig Maximilian de Munich (LMU), junto con un equipo de investigación del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro en Frankfurt, como parte del proyecto financiado por la DFG, el Programa Prioritario "Conectómica Computacional" (SPP2041), han descubierto que la estructura de las fuerzas de conexión neuronal aparentemente irregulares contiene un orden oculto. Esto es esencial para la estabilidad de la red neuronal. El estudio ha sido publicado ahora en la revista científica "PNAS".

Hace diez años, la conectómica, es decir, la creación de un mapa de las conexiones entre los aproximadamente 86 mil millones de neuronas del cerebro, fue declarada un hito futuro en la ciencia. Porque en las redes neuronales complejas, las neuronas están conectadas entre sí mediante miles de sinapsis. La fuerza de las conexiones entre neuronas individuales es importante porque es crucial para el aprendizaje y el rendimiento cognitivo. "Sin embargo, cada sinapsis es única y su fuerza puede variar con el tiempo. Incluso los experimentos que midieron el mismo tipo de sinapsis en la misma región del cerebro arrojaron diferentes valores de fuerza sináptica. Sin embargo, esta variabilidad observada experimentalmente hace que sea difícil encontrar principios generales". “La robusta función de las redes neuronales”, explica la profesora Tatjana Tchumatchenko, líder del grupo de investigación en el Instituto de Epileptología Experimental e Investigación Cognitiva de la UKB y en el Instituto de Química Fisiológica del Centro Médico Universitario de Maguncia, fue la motivación para realizar el estudio.

Matemáticas y laboratorio combinados con sensatez

En la corteza visual primaria (V1) se registran primero los estímulos visuales que el ojo transmite a través del tálamo, un punto de control de las impresiones sensoriales en el diencéfalo. Los investigadores observaron más de cerca las conexiones entre las neuronas que están activas en este proceso. Para ello, los investigadores midieron experimentalmente la respuesta conjunta de dos clases de neuronas a diferentes estímulos visuales en un modelo de ratón. Al mismo tiempo, utilizaron modelos matemáticos para predecir la fuerza de las conexiones sinápticas. Para explicar la actividad registrada en el laboratorio de tales conexiones de red en la corteza visual primaria, utilizaron la llamada "red supralineal estabilizada" (SSN). "Es uno de los pocos modelos matemáticos no lineales que ofrece la oportunidad única de comparar la actividad teóricamente simulada con la actividad realmente observada", dice la profesora Laura Busse, líder del grupo de investigación en LMU Neurobiology. "Demostramos que la combinación de SSN con grabaciones experimentales de respuestas visuales en el tálamo y la corteza visual del ratón nos permite determinar diferentes conjuntos de intensidades de conexión que dan lugar a las respuestas visuales registradas en la corteza visual".

El orden entre las fuerzas de conexión es clave

Los investigadores descubrieron que había un orden detrás de la variabilidad observada en la fuerza de las sinapsis. Por ejemplo, las conexiones de las neuronas excitadoras a las inhibidoras siempre fueron más fuertes, mientras que las conexiones inversas en la corteza visual eran más débiles. Esto se debe a que los valores absolutos de las fortalezas sinápticas en el modelado, al igual que en los estudios experimentales anteriores, variaron, pero siempre se mantuvieron en un orden determinado. Por lo tanto, no son los valores absolutos los decisivos para el curso y la intensidad de la actividad medida, sino las condiciones relativas.

"Es digno de mención que el análisis de mediciones directas previas de las conexiones sinápticas reveló el mismo orden de las fortalezas sinápticas que nuestro modelo de predicción basado únicamente en las respuestas neuronales medidas".

Simon Renner, Ph.D., Neurobiología de LMU

Los registros experimentales de Renner de la actividad cortical y talámica permitieron caracterizar las conexiones entre las neuronas corticales. "Nuestros resultados muestran que la actividad neuronal contiene mucha información sobre la estructura subyacente de las redes neuronales que no es inmediatamente evidente a partir de mediciones directas de la intensidad de las sinapsis. Por lo tanto, nuestro método abre una perspectiva prometedora para el estudio de estructuras de redes a las que es difícil acceder experimentalmente". " explica Nataliya Kraynyukova, Ph.D., del Instituto de Epileptología Experimental e Investigación de la Cognición de la UKB y del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro en Frankfurt. Este estudio es el resultado de una colaboración interdisciplinaria entre el laboratorio del Prof. Busse y el Prof. Tchumatchenko, quienes trabajaron en estrecha colaboración y construyeron laboratorios basándose en su experiencia computacional y experimental.

Fuente:

Hospital Universitario de Bonn

Referencia:

Kraynyukova, N., et al. (2022) Las grabaciones extracelulares in vivo de respuestas visuales talámicas y corticales revelan reglas de conectividad V1. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.

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