Studija pokazuje da struktura nepravilnih snaga neuronskih veza sadrži skriveni poredak

Studija pokazuje da struktura nepravilnih snaga neuronskih veza sadrži skriveni poredak

U mozgu, naša percepcija nastaje složenom interakcijom neurona koji su povezani putem sinapsi. Međutim, broj i snaga veza između određenih vrsta neurona može varirati. Istraživači sa Sveučilišne bolnice u Bonnu (UKB), Sveučilišne bolnice u Mainzu i Sveučilišta Ludwig Maximilian u Münchenu (LMU) zajedno s istraživačkim timom s Instituta Max Planck za istraživanje mozga u Frankfurtu u sklopu projekta koji financira DFG Prioritetni program “Computational Connectomics” (SPP2041) sada su otkrili da struktura naizgled nepravilne snage neuronskih veza sadrži skriveni poredak. To je bitno za stabilnost neuronske mreže. Studija je sada objavljena u znanstvenom časopisu "PNAS".

Prije deset godina konektomika, odnosno izrada mape veza između oko 86 milijardi neurona u mozgu, proglašena je budućom prekretnicom u znanosti. Jer u složenim neuronskim mrežama neuroni su međusobno povezani tisućama sinapsi. Snaga veza između pojedinih neurona je važna jer je ključna za učenje i kognitivne performanse. "Međutim, svaka sinapsa je jedinstvena i njezina snaga može varirati tijekom vremena. Čak su i eksperimenti koji mjere isti tip sinapse u istoj regiji mozga dali različite vrijednosti za sinaptičku snagu. Međutim, ova eksperimentalno promatrana varijabilnost otežava pronalaženje općih principa." "Snažna funkcija neuronskih mreža", motivaciju za provođenje studije objašnjava prof. Tatjana Tchumatchenko, voditeljica istraživačke grupe na Institutu za eksperimentalnu epileptologiju i kognicijska istraživanja na UKB-u i na Institutu za fiziološku kemiju na Sveučilišnom medicinskom centru Mainz.

Matematika i laboratorij razumno spojeni

U primarnom vidnom korteksu (V1) prvo se bilježe vizualni podražaji koje oko prosljeđuje preko talamusa, kontrolne točke za senzorne impresije u diencefalonu. Istraživači su pobliže proučili veze između neurona koji su aktivni u ovom procesu. Da bi to učinili, istraživači su eksperimentalno mjerili zajednički odgovor dviju klasa neurona na različite vizualne podražaje u modelu miša. Istodobno su koristili matematičke modele za predviđanje snage sinaptičkih veza. Kako bi objasnili svoju laboratorijski zabilježenu aktivnost takvih mrežnih veza u primarnom vizualnom korteksu, koristili su takozvanu "stabiliziranu supralinearnu mrežu" (SSN). "To je jedan od rijetkih nelinearnih matematičkih modela koji nudi jedinstvenu priliku za usporedbu teoretski simulirane aktivnosti sa stvarno opaženom aktivnošću", kaže prof. Laura Busse, voditeljica istraživačke grupe na LMU Neurobiology. "Pokazali smo da nam kombiniranje SSN-a s eksperimentalnim snimkama vizualnih odgovora u mišjem talamusu i korteksu omogućuje određivanje različitih skupova snaga veze koje dovode do snimljenih vizualnih odgovora u vizualnom korteksu."

Redoslijed između snaga veze je ključan

Istraživači su otkrili da postoji red iza opažene varijabilnosti u snazi ​​sinapsi. Na primjer, veze od ekscitatornih do inhibitornih neurona uvijek su bile najjače, dok su reverzne veze u vidnom korteksu bile slabije. To je zato što su apsolutne vrijednosti sinaptičkih snaga u modeliranju - kao iu prethodnim eksperimentalnim studijama - varirale, ali su se ipak uvijek pridržavale određenog reda. Stoga za tijek i snagu mjerene aktivnosti nisu odlučujuće apsolutne vrijednosti, već relativni uvjeti.

"Važno je napomenuti da je analiza prethodnih izravnih mjerenja sinaptičkih veza otkrila isti poredak sinaptičkih snaga kao i naše modelsko predviđanje temeljeno samo na izmjerenim neuronskim odgovorima."

Simon Renner, Ph.D., LMU Neurobiology

Rennerove eksperimentalne snimke aktivnosti kore i talamusa omogućile su karakterizaciju veza između kortikalnih neurona. "Naši rezultati pokazuju da neuronska aktivnost sadrži mnogo informacija o temeljnoj strukturi neuronskih mreža koje nisu odmah vidljive iz izravnih mjerenja snage sinapsi. Dakle, naša metoda otvara obećavajuću perspektivu za proučavanje mrežnih struktura kojima je teško pristupiti eksperimentalno." " objašnjava Nataliya Kraynyukova, dr. sc., s Instituta za eksperimentalnu epileptologiju i kognicijska istraživanja pri UKB-u i Instituta Max Planck za istraživanje mozga u Frankfurtu. Ova je studija rezultat interdisciplinarne suradnje između laboratorija prof. Bussea i prof. Tchumatchenka, koji su blisko surađivali i na temelju svoje računalne i eksperimentalne stručnosti izgradili laboratorije.

Izvor:

Sveučilišna bolnica u Bonnu

Referenca:

Kraynyukova, N. i sur. (2022) In vivo izvanstanične snimke talamusa i kortikalnih vizualnih odgovora otkrivaju pravila povezivanja V1. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.

.