Tutkimus osoittaa, että epäsäännöllisten hermosolujen yhteysvahvuuksien rakenteessa on piilotettu järjestys

Tutkimus osoittaa, että epäsäännöllisten hermosolujen yhteysvahvuuksien rakenteessa on piilotettu järjestys

Aivoissa havaintomme syntyy synapsien kautta kytkettyjen hermosolujen monimutkaisen vuorovaikutuksen seurauksena. Tiettyjen neuronityyppien välisten yhteyksien määrä ja vahvuus voivat kuitenkin vaihdella. Bonnin yliopistollisen sairaalan (UKB), Mainzin yliopistollisen sairaalan ja Münchenin Ludwig Maximilianin yliopiston (LMU) tutkijat yhdessä Frankfurtin Max Planckin aivotutkimuksen instituutin tutkimusryhmän kanssa osana DFG:n rahoittamaa projektia The Priority Program “Computational Connectomics” (SPP2041) ovat nyt havainneet, että hermosolujen rakenteessa on näennäisen epäsäännöllisen vahvuus. Tämä on välttämätöntä hermoverkon vakauden kannalta. Tutkimus on nyt julkaistu tieteellisessä lehdessä "PNAS".

Kymmenen vuotta sitten konnekomiikka, eli aivojen noin 86 miljardin neuronin välisten yhteyksien kartan luominen, julistettiin tulevaisuuden virstanpylväksi tieteessä. Koska monimutkaisissa hermoverkoissa neuronit ovat yhteydessä toisiinsa tuhansilla synapseilla. Yksittäisten hermosolujen välisten yhteyksien vahvuus on tärkeä, koska se on ratkaisevan tärkeää oppimisen ja kognitiivisen suorituskyvyn kannalta. "Jokainen synapsi on kuitenkin ainutlaatuinen ja sen vahvuus voi vaihdella ajan myötä. Jopa kokeet, joissa mitattiin samantyyppistä synapsia samalla aivoalueella, tuottivat erilaisia ​​arvoja synaptiselle vahvuudelle. Tämä kokeellisesti havaittu vaihtelu vaikeuttaa kuitenkin yleisten periaatteiden löytämistä." "Heuroniverkkojen vahva toiminta", selittää professori Tatjana Tchumatchenko, tutkimusryhmän johtaja UKB:n kokeellisen epileptologian ja kognitiotutkimuksen instituutista ja Mainzin yliopistollisen lääketieteellisen keskuksen fysiologisen kemian instituutista, perusteluja tutkimuksen suorittamiselle.

Matematiikka ja laboratorio järkevästi yhdistettynä

Ensisijaisessa näkökuoressa (V1) tallennetaan ensin visuaaliset ärsykkeet, jotka silmä ohjaa eteenpäin talamuksen kautta, joka on aistivaikutelmien ohjauspiste välilihassa. Tutkijat tarkastelivat lähemmin tässä prosessissa aktiivisten hermosolujen välisiä yhteyksiä. Tätä varten tutkijat mittasivat kokeellisesti kahden hermosoluluokan yhteisen vasteen erilaisiin visuaalisiin ärsykkeisiin hiirimallissa. Samaan aikaan he käyttivät matemaattisia malleja synaptisten yhteyksien vahvuuden ennustamiseen. Selittääkseen laboratoriossa kirjattua tällaisten verkkoyhteyksien toimintaa ensisijaisessa näkökuoressa he käyttivät niin kutsuttua "stabiloitua supralineaarista verkkoa" (SSN). "Se on yksi harvoista epälineaarisista matemaattisista malleista, joka tarjoaa ainutlaatuisen mahdollisuuden verrata teoreettisesti simuloitua toimintaa todellisuudessa havaittuun toimintaan", sanoo LMU Neurobiologyn tutkimusryhmän johtaja professori Laura Busse. "Osoitimme, että SSN:n yhdistäminen kokeellisiin visuaalisten vasteiden tallennuksiin hiiren talamuksessa ja aivokuoressa antaa meille mahdollisuuden määrittää erilaisia ​​yhteysvahvuuksia, jotka synnyttävät visuaalisia vasteita visuaaliseen aivokuoreen."

Yhteysvahvuuksien välinen järjestys on avainasemassa

Tutkijat havaitsivat, että synapsin voimakkuuden havaitun vaihtelun takana oli järjestys. Esimerkiksi yhteydet eksitatorisista inhiboiviin hermosoluihin olivat aina vahvimpia, kun taas käänteiset yhteydet näkökuoressa olivat heikompia. Tämä johtuu siitä, että mallinnuksen synaptisten vahvuuksien absoluuttiset arvot - kuten aikaisemmissa kokeellisissa tutkimuksissa - vaihtelivat, mutta pysyivät silti aina tietyssä järjestyksessä. Absoluuttiset arvot eivät siis ole ratkaisevia mitatun aktiivisuuden kulun ja voimakkuuden kannalta, vaan suhteelliset olosuhteet.

"On huomionarvoista, että aiempien synaptisten yhteyksien suorien mittausten analyysi paljasti saman synaptisten vahvuuksien järjestyksen kuin malliennusteemme, joka perustuu pelkästään mitattuihin hermosoluvasteisiin."

Simon Renner, Ph.D., LMU Neurobiology

Rennerin kokeelliset tallenteet aivokuoren ja talamuksen aktiivisuudesta mahdollistivat aivokuoren hermosolujen välisten yhteyksien karakterisoinnin. "Tuloksemme osoittavat, että hermosolujen aktiivisuus sisältää paljon tietoa hermosoluverkkojen taustalla olevasta rakenteesta, joka ei heti käy ilmi suorista synapsien vahvuuksien mittauksista. Näin ollen menetelmämme avaa lupaavan näkökulman sellaisten verkkorakenteiden tutkimukseen, joihin on vaikea päästä kokeellisesti." " selittää Nataliya Kraynyukova, Ph.D. UKB:n kokeellisen epileptologian ja kognition tutkimuksen instituutista ja Frankfurtin Max Planckin aivotutkimuksen instituutista. Tämä tutkimus on tulos monitieteisestä yhteistyöstä professori Bussen ja professori Tchumatchenkon laboratorion välillä, jotka työskentelivät tiiviisti yhdessä ja perustuivat laboratoriotyöskentelyyn.

Lähde:

Bonnin yliopistollinen sairaala

Viite:

Kraynyukova, N., et ai. (2022) Talamuksen ja aivokuoren visuaalisten vasteiden solunulkoiset in vivo -tallenteet paljastavat V1-yhteyssäännöt. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.

.