Studiul arată că structura conexiunii neuronale neregulate conține o ordine ascunsă

Studiul arată că structura conexiunii neuronale neregulate conține o ordine ascunsă

În creier, percepția noastră este creată de o interacțiune complexă a neuronilor care sunt conectați prin sinapse. Cu toate acestea, numărul și puterea conexiunilor dintre anumite tipuri de neuroni pot varia. Cercetătorii de la Spitalul Universitar din Bonn (UKB), Spitalul Universitar din Mainz și Universitatea Ludwig Maximilian din München (LMU), împreună cu o echipă de cercetare de la Institutul Max Planck pentru Cercetare a Creierului din Frankfurt, ca parte a proiectului finanțat de DFG, Programul prioritar „Conectomică computațională” (SPP2041) au descoperit acum că structura conexiunilor aparent ascunse conține o ordine neuronală ascunsă. Acest lucru este esențial pentru stabilitatea rețelei neuronale. Studiul a fost publicat acum în revista științifică „PNAS”.

În urmă cu zece ani, conectomica, adică crearea unei hărți a conexiunilor dintre cele aproximativ 86 de miliarde de neuroni din creier, a fost declarată o piatră de hotar viitoare în știință. Pentru că în rețelele neuronale complexe, neuronii sunt conectați între ei prin mii de sinapse. Puterea conexiunilor dintre neuronii individuali este importantă deoarece este crucială pentru învățare și performanța cognitivă. „Cu toate acestea, fiecare sinapsă este unică și puterea ei poate varia în timp. Chiar și experimentele care măsoară același tip de sinapsă în aceeași regiune a creierului au dat valori diferite pentru puterea sinaptică. Cu toate acestea, această variabilitate observată experimental face dificilă găsirea principiilor generale.” „Funcția robustă a rețelelor neuronale”, explică prof. Tatjana Tchumatchenko, lider de grup de cercetare la Institutul pentru Epileptologie Experimentală și Cercetare Cognitivă de la UKB și la Institutul de Chimie Fiziologică de la Centrul Medical Universitar Mainz, motivația pentru realizarea studiului.

Matematică și laborator combinate în mod rațional

În cortexul vizual primar (V1), stimulii vizuali sunt mai întâi înregistrați, pe care ochiul îi transmite prin talamus, un punct de control pentru impresiile senzoriale în diencefal. Cercetătorii au analizat mai atent conexiunile dintre neuronii care sunt activi în acest proces. Pentru a face acest lucru, cercetătorii au măsurat experimental răspunsul comun a două clase de neuroni la stimuli vizuali diferiți într-un model de șoarece. În același timp, au folosit modele matematice pentru a prezice puterea conexiunilor sinaptice. Pentru a explica activitatea lor înregistrată în laborator a unor astfel de conexiuni de rețea în cortexul vizual primar, ei au folosit așa-numita „rețea supraliniară stabilizată” (SSN). „Este unul dintre puținele modele matematice neliniare care oferă oportunitatea unică de a compara activitatea simulată teoretic cu activitatea observată efectiv”, spune prof. Laura Busse, liderul grupului de cercetare la LMU Neurobiology. „Am arătat că combinarea SSN cu înregistrările experimentale ale răspunsurilor vizuale în talamusul și cortexul șoarecelui ne permite să determinăm diferite seturi de forțe de conexiune care dau naștere răspunsurilor vizuale înregistrate în cortexul vizual.”

Ordinea dintre punctele forte ale conexiunii este cheia

Cercetătorii au descoperit că în spatele variabilității observate în puterea sinapselor există o ordine. De exemplu, conexiunile dintre neuronii excitatori și inhibitori au fost întotdeauna cele mai puternice, în timp ce conexiunile inverse din cortexul vizual au fost mai slabe. Acest lucru se datorează faptului că valorile absolute ale forțelor sinaptice în modelare - ca și în studiile experimentale anterioare - au variat, dar au respectat totuși o anumită ordine. Prin urmare, nu valorile absolute sunt decisive pentru cursul și puterea activității măsurate, ci mai degrabă condițiile relative.

„Este de remarcat faptul că analiza măsurătorilor directe anterioare ale conexiunilor sinaptice a dezvăluit aceeași ordine a forțelor sinaptice ca și predicția modelului nostru bazată numai pe răspunsurile neuronale măsurate.”

Simon Renner, Ph.D., LMU Neurobiologie

Înregistrările experimentale ale lui Renner ale activității corticale și talamice au permis conexiunile dintre neuronii corticali să fie caracterizate. „Rezultatele noastre arată că activitatea neuronală conține o mulțime de informații despre structura de bază a rețelelor neuronale, care nu este imediat evidentă din măsurătorile directe ale forțelor sinapselor. Astfel, metoda noastră deschide o perspectivă promițătoare pentru studiul structurilor de rețea care sunt dificil de accesat experimental”. ", explică Nataliya Kraynyukova, Ph.D., de la Institutul pentru Epileptologie Experimentală și Cercetare Cognitivă de la UKB și Institutul Max Planck pentru Cercetare a Creierului din Frankfurt. Acest studiu este rezultatul unei colaborări interdisciplinare dintre laboratorul Prof. Busse și Prof. Tchumatchenko, care au lucrat îndeaproape împreună și pe baza expertizei lor computaționale și experimentale Buil.

Sursă:

Spitalul Universitar din Bonn

Referinţă:

Kraynyukova, N., și colab. (2022) Înregistrările extracelulare in vivo ale răspunsurilor vizuale talamice și corticale dezvăluie regulile de conectivitate V1. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.

.