Onderzoek toont aan dat de structuur van onregelmatige neuronale verbindingssterkten een verborgen orde bevat

Onderzoek toont aan dat de structuur van onregelmatige neuronale verbindingssterkten een verborgen orde bevat

In de hersenen wordt onze perceptie gecreëerd door een complexe interactie van neuronen die via synapsen met elkaar verbonden zijn. Het aantal en de sterkte van verbindingen tussen specifieke typen neuronen kunnen echter variëren. Onderzoekers van het Universitair Ziekenhuis van Bonn (UKB), het Universitair Ziekenhuis van Mainz en de Ludwig Maximilian Universiteit van München (LMU) hebben samen met een onderzoeksteam van het Max Planck Instituut voor Hersenonderzoek in Frankfurt als onderdeel van het door de DFG gefinancierde project The Priority Program “Computational Connectomics” (SPP2041) nu ontdekt dat de structuur van de schijnbaar onregelmatige neuronale verbindingssterkten een verborgen orde bevat. Dit is essentieel voor de stabiliteit van het neurale netwerk. De studie is nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift “PNAS”.

Tien jaar geleden werd connectomics, dat wil zeggen het in kaart brengen van de verbindingen tussen de ongeveer 86 miljard neuronen in de hersenen, uitgeroepen tot een toekomstige mijlpaal in de wetenschap. Omdat in complexe neurale netwerken neuronen met elkaar verbonden zijn door duizenden synapsen. De sterkte van de verbindingen tussen individuele neuronen is belangrijk omdat het cruciaal is voor leer- en cognitieve prestaties. "Elke synaps is echter uniek en de sterkte ervan kan in de loop van de tijd variëren. Zelfs experimenten waarbij hetzelfde type synaps in hetzelfde hersengebied werd gemeten, leverden verschillende waarden op voor de synaptische sterkte. Deze experimenteel waargenomen variabiliteit maakt het echter moeilijk om algemene principes te vinden." “De robuuste functie van neuronale netwerken”, legt prof. Tatjana Tchumatchenko, onderzoeksgroepleider bij het Instituut voor Experimentele Epileptologie en Cognitieonderzoek aan de UKB en aan het Instituut voor Fysiologische Chemie van het Universitair Medisch Centrum Mainz, de motivatie voor het uitvoeren van de studie uit.

Wiskunde en laboratorium verstandig gecombineerd

In de primaire visuele cortex (V1) worden eerst de visuele prikkels geregistreerd, die het oog naar voren stuurt via de thalamus, een controlepunt voor zintuiglijke indrukken in het diencephalon. De onderzoekers gingen dieper in op de verbindingen tussen de neuronen die bij dit proces actief zijn. Om dit te doen, maten de onderzoekers experimenteel de gezamenlijke respons van twee klassen neuronen op verschillende visuele stimuli in een muismodel. Tegelijkertijd gebruikten ze wiskundige modellen om de sterkte van synaptische verbindingen te voorspellen. Om hun in het laboratorium geregistreerde activiteit van dergelijke netwerkverbindingen in de primaire visuele cortex te verklaren, gebruikten ze het zogenaamde ‘gestabiliseerde supralineaire netwerk’ (SSN). “Het is een van de weinige niet-lineaire wiskundige modellen die de unieke mogelijkheid biedt om theoretisch gesimuleerde activiteit te vergelijken met feitelijk waargenomen activiteit”, zegt prof. Laura Busse, onderzoeksgroepleider bij LMU Neurobiology. "We hebben aangetoond dat het combineren van SSN met experimentele opnames van visuele reacties in de thalamus en cortex van muizen ons in staat stelt verschillende sets verbindingssterkten te bepalen die aanleiding geven tot de opgenomen visuele reacties in de visuele cortex."

De volgorde tussen de verbindingssterkten is van cruciaal belang

De onderzoekers ontdekten dat er een volgorde zat achter de waargenomen variabiliteit in synapssterkte. De verbindingen van exciterende naar remmende neuronen waren bijvoorbeeld altijd het sterkst, terwijl de omgekeerde verbindingen in de visuele cortex zwakker waren. Dit komt doordat de absolute waarden van de synaptische sterkten in de modellering - net als in de eerdere experimentele onderzoeken - varieerden, maar toch altijd in een bepaalde volgorde bleven. Het zijn dus niet de absolute waarden die bepalend zijn voor het verloop en de kracht van de gemeten activiteit, maar juist de relatieve omstandigheden.

“Het is opmerkelijk dat analyse van eerdere directe metingen van synaptische verbindingen dezelfde ordening van synaptische sterktes aan het licht bracht als onze modelvoorspelling, gebaseerd op alleen gemeten neuronale reacties.”

Simon Renner, Ph.D., LMU Neurobiologie

Renners experimentele opnames van corticale en thalamische activiteit maakten het mogelijk de verbindingen tussen corticale neuronen te karakteriseren. "Onze resultaten laten zien dat neuronale activiteit veel informatie bevat over de onderliggende structuur van neuronale netwerken die niet onmiddellijk blijkt uit directe metingen van synapssterkten. Onze methode opent dus een veelbelovend perspectief voor de studie van netwerkstructuren die experimenteel moeilijk toegankelijk zijn." " legt Nataliya Kraynyukova, Ph.D., van het Instituut voor Experimentele Epileptologie en Cognitieonderzoek aan de UKB en het Max Planck Instituut voor Hersenonderzoek in Frankfurt uit. Deze studie is het resultaat van een interdisciplinaire samenwerking tussen het laboratorium van Prof. Busse en Prof. Tchumatchenko, die nauw samenwerkten en op basis van hun computationele en experimentele expertise laboratoria bouwden.

Bron:

Universiteitsziekenhuis van Bonn

Referentie:

Kraynyukova, N., et al. (2022) In vivo extracellulaire opnames van thalamische en corticale visuele reacties onthullen V1-connectiviteitsregels. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.

.