Uuring näitab, et ebaregulaarsete neuronaalsete ühenduste tugevuste struktuur sisaldab varjatud järjekorda

Uuring näitab, et ebaregulaarsete neuronaalsete ühenduste tugevuste struktuur sisaldab varjatud järjekorda

Ajus loob meie taju sünapside kaudu ühendatud neuronite keerukas interaktsioonis. Siiski võib teatud tüüpi neuronite vaheliste ühenduste arv ja tugevus varieeruda. Bonni ülikoolihaigla (UKB), Mainzi ülikooli haigla ja Müncheni Ludwig Maximiliani ülikooli (LMU) teadlased koos Frankfurdi Max Plancki ajuuuringute instituudi uurimisrühmaga DFG rahastatud projekti Prioriteetne programm “Arvutiühendused” (SPP2041) on nüüd avastanud, et neuronite struktuuris on näiliselt ebaregulaarne tugevus. See on närvivõrgu stabiilsuse jaoks hädavajalik. Uuring on nüüd avaldatud teadusajakirjas "PNAS".

Kümme aastat tagasi kuulutati teaduse tulevaseks verstapostiks konnekoomika ehk aju umbes 86 miljardi neuroni vaheliste seoste kaardi loomine. Sest keerulistes närvivõrkudes on neuronid üksteisega ühendatud tuhandete sünapside kaudu. Üksikute neuronite vaheliste ühenduste tugevus on oluline, kuna see on õppimise ja kognitiivse jõudluse jaoks ülioluline. "Kuid iga sünaps on ainulaadne ja selle tugevus võib aja jooksul muutuda. Isegi katsed, mis mõõtsid sama tüüpi sünapsi samas ajupiirkonnas, andsid sünaptilise tugevuse jaoks erinevaid väärtusi. See eksperimentaalselt täheldatud varieeruvus muudab aga üldiste põhimõtete leidmise keeruliseks." "Neuronivõrkude tugev funktsioon," selgitab UKB Eksperimentaalse Epileptoloogia ja Kognitsiooniuuringute Instituudi ning Mainzi Ülikooli Meditsiinikeskuse füsioloogilise keemia instituudi uurimisrühma juht prof Tatjana Tšumatšenko uuringu läbiviimise ajendit.

Matemaatika ja laboratoorium mõistlikult ühendatud

Primaarses visuaalses ajukoores (V1) registreeritakse esmalt visuaalsed stiimulid, mille silm suunab edasi talamuse kaudu, mis on sensoorsete muljete kontrollpunkt vahekehas. Teadlased uurisid lähemalt selles protsessis aktiivsete neuronite vahelisi seoseid. Selleks mõõtsid teadlased hiiremudelis katseliselt kahe klassi neuronite ühisreaktsiooni erinevatele visuaalsetele stiimulitele. Samal ajal kasutasid nad sünaptiliste ühenduste tugevuse ennustamiseks matemaatilisi mudeleid. Selliste võrguühenduste laboratoorselt registreeritud aktiivsuse selgitamiseks esmases visuaalses ajukoores kasutasid nad niinimetatud "stabiliseeritud supralineaarset võrku" (SSN). "See on üks väheseid mittelineaarseid matemaatilisi mudeleid, mis pakub ainulaadset võimalust võrrelda teoreetiliselt simuleeritud aktiivsust tegelikult vaadeldava tegevusega," ütleb LMU Neurobiology uurimisrühma juht prof Laura Busse. "Näitasime, et SSN-i kombineerimine visuaalsete reaktsioonide eksperimentaalsete salvestustega hiire talamuses ja ajukoores võimaldab meil määrata erinevad ühenduse tugevuste komplektid, mis põhjustavad visuaalses ajukoores salvestatud visuaalseid reaktsioone."

Ühenduse tugevuste vaheline järjekord on võtmetähtsusega

Teadlased leidsid, et sünapsi tugevuse täheldatud varieeruvuse taga oli järjekord. Näiteks ühendused ergastavatest neuronitest inhibeerivatele neuronitele olid alati tugevamad, samas kui visuaalses ajukoores olid vastupidised ühendused nõrgemad. Seda seetõttu, et sünaptiliste tugevuste absoluutväärtused modelleerimisel - nagu ka varasemates eksperimentaalsetes uuringutes - varieerusid, kuid järgisid siiski alati teatud järjekorda. Seetõttu ei ole mõõdetud aktiivsuse kulgemise ja tugevuse jaoks määravad absoluutväärtused, vaid pigem suhtelised tingimused.

"On tähelepanuväärne, et sünaptiliste ühenduste varasemate otseste mõõtmiste analüüs näitas sama sünaptiliste tugevuste järjestust kui meie mudeli ennustus, mis põhineb ainult mõõdetud neuronaalsetel reaktsioonidel."

Simon Renner, Ph.D., LMU neurobioloogia

Renneri eksperimentaalsed kortikaalse ja talamuse aktiivsuse salvestused võimaldasid iseloomustada kortikaalsete neuronite vahelisi ühendusi. "Meie tulemused näitavad, et neuronaalne aktiivsus sisaldab palju teavet neuronaalsete võrkude alusstruktuuri kohta, mis ei ilmne kohe sünapsi tugevuste mõõtmisel. Seega avab meie meetod paljulubava perspektiivi selliste võrgustruktuuride uurimiseks, millele on eksperimentaalselt raske ligi pääseda." " selgitab Nataliya Kraynyukova, Ph.D. UKB Eksperimentaalse Epileptoloogia ja Kognitsiooni Uurimise Instituudist ja Max Plancki Aju-uuringute Instituudist Frankfurdis. See uuring on interdistsiplinaarse koostöö tulemus prof Busse'i ja prof Tchumatchenko labori vahel, kes tegid tihedat koostööd ja põhinesid oma laboratoorsetel ja eksperimentaalsetel ekspertidel.

Allikas:

Bonni ülikooli haigla

Viide:

Kraynyukova, N. jt. (2022) Talamuse ja kortikaalsete visuaalsete reaktsioonide rakuvälised salvestused näitavad V1 ühenduvusreegleid. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.

.