Lo studio mostra che la struttura delle forze di connessione neuronale irregolari contiene un ordine nascosto

Lo studio mostra che la struttura delle forze di connessione neuronale irregolari contiene un ordine nascosto

Nel cervello, la nostra percezione è creata da una complessa interazione di neuroni collegati tramite sinapsi. Tuttavia, il numero e la forza delle connessioni tra tipi specifici di neuroni possono variare. Ricercatori dell’Ospedale universitario di Bonn (UKB), dell’Ospedale universitario di Magonza e dell’Università Ludwig Maximilian di Monaco (LMU) insieme a un gruppo di ricerca dell’Istituto Max Planck per la ricerca sul cervello di Francoforte nell’ambito del progetto finanziato dalla DFG The Priority Program “Computational Connectomics” (SPP2041) hanno ora scoperto che la struttura delle forze di connessione neuronali apparentemente irregolari contiene un ordine nascosto. Questo è essenziale per la stabilità della rete neurale. Lo studio è stato ora pubblicato sulla rivista scientifica “PNAS”.

Dieci anni fa la connettomica, ovvero la creazione di una mappa delle connessioni tra i circa 86 miliardi di neuroni del cervello, è stata dichiarata una futura pietra miliare della scienza. Perché nelle reti neurali complesse i neuroni sono collegati tra loro da migliaia di sinapsi. La forza delle connessioni tra i singoli neuroni è importante perché è fondamentale per l’apprendimento e le prestazioni cognitive. "Tuttavia, ogni sinapsi è unica e la sua forza può variare nel tempo. Anche esperimenti che misurano lo stesso tipo di sinapsi nella stessa regione del cervello hanno prodotto valori diversi per la forza sinaptica. Tuttavia, questa variabilità osservata sperimentalmente rende difficile trovare principi generali." "La robusta funzione delle reti neuronali", spiega la prof.ssa Tatjana Tchumatchenko, capogruppo di ricerca presso l'Istituto di epilettologia sperimentale e ricerca cognitiva dell'UKB e presso l'Istituto di chimica fisiologica del Centro medico universitario di Magonza, la motivazione per lo studio.

Matematica e laboratorio sapientemente combinati

Nella corteccia visiva primaria (V1) vengono dapprima registrati gli stimoli visivi che l'occhio trasmette attraverso il talamo, un punto di controllo delle impressioni sensoriali nel diencefalo. I ricercatori hanno esaminato più da vicino le connessioni tra i neuroni attivi in ​​questo processo. Per fare ciò, i ricercatori hanno misurato sperimentalmente la risposta congiunta di due classi di neuroni a diversi stimoli visivi in ​​un modello murino. Allo stesso tempo, hanno utilizzato modelli matematici per prevedere la forza delle connessioni sinaptiche. Per spiegare l’attività registrata in laboratorio di tali connessioni di rete nella corteccia visiva primaria, hanno utilizzato la cosiddetta “rete sopralineare stabilizzata” (SSN). "È uno dei pochi modelli matematici non lineari che offre l'opportunità unica di confrontare l'attività teoricamente simulata con l'attività effettivamente osservata", afferma la prof. Laura Busse, leader del gruppo di ricerca presso LMU Neurobiology. “Abbiamo dimostrato che la combinazione del SSN con le registrazioni sperimentali delle risposte visive nel talamo e nella corteccia del topo ci consente di determinare diversi insiemi di forze di connessione che danno origine alle risposte visive registrate nella corteccia visiva”.

L’ordine tra i punti di forza della connessione è fondamentale

I ricercatori hanno scoperto che c’era un ordine dietro la variabilità osservata nella forza delle sinapsi. Ad esempio, le connessioni tra i neuroni eccitatori e quelli inibitori erano sempre più forti, mentre le connessioni inverse nella corteccia visiva erano più deboli. Questo perché i valori assoluti delle forze sinaptiche nel modello – come nei precedenti studi sperimentali – variavano, ma comunque rispettavano sempre un certo ordine. Pertanto non sono i valori assoluti a essere decisivi per l'andamento e l'intensità dell'attività misurata, ma piuttosto le condizioni relative.

“È interessante notare che l’analisi di precedenti misurazioni dirette delle connessioni sinaptiche ha rivelato lo stesso ordinamento delle forze sinaptiche del nostro modello di previsione basato esclusivamente sulle risposte neuronali misurate”.

Simon Renner, Ph.D., Neurobiologia LMU

Le registrazioni sperimentali di Renner dell'attività corticale e talamica hanno permesso di caratterizzare le connessioni tra i neuroni corticali. "I nostri risultati mostrano che l'attività neuronale contiene molte informazioni sulla struttura sottostante delle reti neuronali che non sono immediatamente evidenti dalle misurazioni dirette della forza delle sinapsi. Pertanto, il nostro metodo apre una prospettiva promettente per lo studio delle strutture di rete a cui è difficile accedere sperimentalmente." " spiega Nataliya Kraynyukova, Ph.D., dell'Istituto di epilettologia sperimentale e ricerca cognitiva dell'UKB e dell'Istituto Max Planck per la ricerca sul cervello di Francoforte. Questo studio è il risultato di una collaborazione interdisciplinare tra il laboratorio del Prof. Busse e il Prof. Tchumatchenko, che hanno lavorato a stretto contatto e sulla base delle loro competenze computazionali e sperimentali hanno costruito laboratori.

Fonte:

Ospedale universitario di Bonn

Riferimento:

Kraynyukova, N., et al. (2022) Le registrazioni extracellulari in vivo delle risposte visive talamiche e corticali rivelano le regole di connettività V1. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.

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