Studier viser at strukturen til uregelmessige nevronale tilkoblingsstyrker inneholder en skjult rekkefølge

Studier viser at strukturen til uregelmessige nevronale tilkoblingsstyrker inneholder en skjult rekkefølge

I hjernen skapes oppfatningen vår av en kompleks interaksjon av nevroner som er koblet sammen via synapser. Imidlertid kan antallet og styrken på forbindelser mellom spesifikke typer nevroner variere. Forskere fra Universitetssykehuset i Bonn (UKB), Universitetssykehuset i Mainz og Ludwig Maximilian Universitetet i München (LMU) har sammen med et forskerteam fra Max Planck Institute for Brain Research i Frankfurt som del av det DFG-finansierte prosjektet The Priority Program “Computational Connectomics” (SPP2041) nå oppdaget at strukturen til den uregelmessige nevronforbindelsen inneholder en tilsynelatende skjult nevronal forbindelse. rekkefølge. Dette er avgjørende for stabiliteten til det nevrale nettverket. Studien er nå publisert i det vitenskapelige tidsskriftet "PNAS".

For ti år siden ble connectomics, det vil si opprettelsen av et kart over forbindelsene mellom de rundt 86 milliarder nevronene i hjernen, erklært som en fremtidig milepæl i vitenskapen. For i komplekse nevrale nettverk er nevroner koblet til hverandre med tusenvis av synapser. Styrken til forbindelsene mellom individuelle nevroner er viktig fordi den er avgjørende for læring og kognitiv ytelse. "Men hver synapse er unik og dens styrke kan variere over tid. Selv eksperimenter som måler samme type synapse i samme hjerneregion ga forskjellige verdier for synaptisk styrke. Denne eksperimentelt observerte variasjonen gjør det imidlertid vanskelig å finne generelle prinsipper." "Den robuste funksjonen til nevronale nettverk," forklarer prof. Tatjana Tchumatchenko, forskningsgruppeleder ved Institutt for eksperimentell epileptologi og kognisjonsforskning ved UKB og ved Institutt for fysiologisk kjemi ved University Medical Center Mainz, motivasjonen for å gjennomføre studien.

Matematikk og laboratorium fornuftig kombinert

I den primære visuelle cortex (V1) registreres først de visuelle stimuli, som øyet sender videre via thalamus, et kontrollpunkt for sanseinntrykk i diencephalon. Forskerne så nærmere på sammenhengene mellom nevronene som er aktive i denne prosessen. For å gjøre dette, målte forskerne eksperimentelt den felles responsen til to klasser av nevroner på forskjellige visuelle stimuli i en musemodell. Samtidig brukte de matematiske modeller for å forutsi styrken til synaptiske forbindelser. For å forklare deres laboratorieregistrerte aktivitet av slike nettverksforbindelser i den primære visuelle cortex, brukte de det såkalte "stabiliserte supralineære nettverket" (SSN). "Det er en av få ikke-lineære matematiske modeller som gir den unike muligheten til å sammenligne teoretisk simulert aktivitet med faktisk observert aktivitet," sier professor Laura Busse, forskningsgruppeleder ved LMU Neurobiology. "Vi viste at å kombinere SSN med eksperimentelle registreringer av visuelle responser i musens thalamus og cortex lar oss bestemme forskjellige sett med forbindelsesstyrker som gir opphav til de registrerte visuelle responsene i den visuelle cortex."

Rekkefølgen mellom tilkoblingsstyrkene er nøkkelen

Forskerne fant at det var en rekkefølge bak den observerte variasjonen i synapsestyrke. For eksempel var koblingene fra eksitatoriske til hemmende nevroner alltid sterkest, mens de omvendte koblingene i den visuelle cortex var svakere. Dette er fordi de absolutte verdiene av de synaptiske styrkene i modelleringen - som i de tidligere eksperimentelle studiene - varierte, men likevel alltid holdt seg til en viss rekkefølge. Det er derfor ikke de absolutte verdiene som er avgjørende for forløpet og styrken til den målte aktiviteten, men heller de relative forholdene.

"Det er bemerkelsesverdig at analyse av tidligere direkte målinger av synaptiske forbindelser avslørte den samme rekkefølgen av synaptiske styrker som vår modellprediksjon basert på målte nevronale responser alene."

Simon Renner, Ph.D., LMU Nevrobiologi

Renners eksperimentelle registreringer av kortikal og thalamisk aktivitet gjorde det mulig å karakterisere forbindelsene mellom kortikale nevroner. "Våre resultater viser at nevronal aktivitet inneholder mye informasjon om den underliggende strukturen til nevronale nettverk som ikke umiddelbart er tydelig fra direkte målinger av synapsestyrker. Dermed åpner metoden vår et lovende perspektiv for studiet av nettverksstrukturer som det er vanskelig å få tilgang til eksperimentelt." " forklarer Nataliya Kraynyukova, Ph.D., fra Institutt for eksperimentell epileptologi og kognisjonsforskning ved UKB og Max Planck Institute for Brain Research i Frankfurt. Denne studien er et resultat av et tverrfaglig samarbeid mellom laboratoriet til Prof. Busse og Prof. Tchumatchenko, som jobbet tett sammen og basert på deres beregnings- og eksperimentelle ekspertise Bygget.

Kilde:

Bonn universitetssykehus

Referanse:

Kraynyukova, N., et al. (2022) In vivo ekstracellulære opptak av thalamiske og kortikale visuelle responser avslører V1-tilkoblingsregler. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.

.