Štúdia ukazuje, že štruktúra nepravidelných síl neurónových spojení obsahuje skrytý poriadok

Štúdia ukazuje, že štruktúra nepravidelných síl neurónových spojení obsahuje skrytý poriadok

V mozgu sa naše vnímanie vytvára zložitou interakciou neurónov, ktoré sú spojené cez synapsie. Počet a sila spojení medzi konkrétnymi typmi neurónov sa však môže líšiť. Vedci z Univerzitnej nemocnice v Bonne (UKB), Univerzitnej nemocnice v Mainzi a Univerzite Ludwiga Maximiliána v Mníchove (LMU) spolu s výskumným tímom z Inštitútu Maxa Plancka pre výskum mozgu vo Frankfurte v rámci projektu financovaného DFG Prioritný program „Computational Connectomics“ (SPP2041) teraz zistili, že štruktúra nervových spojení je zdanlivo nepravidelná. To je nevyhnutné pre stabilitu neurónovej siete. Štúdia bola teraz publikovaná vo vedeckom časopise „PNAS“.

Pred desiatimi rokmi bola connectomika, teda vytvorenie mapy spojení medzi približne 86 miliardami neurónov v mozgu, vyhlásená za budúci míľnik vo vede. Pretože v zložitých neurónových sieťach sú neuróny navzájom spojené tisíckami synapsií. Sila spojení medzi jednotlivými neurónmi je dôležitá, pretože je rozhodujúca pre učenie a kognitívny výkon. "Každá synapsia je však jedinečná a jej sila sa môže v priebehu času meniť. Dokonca aj experimenty merajúce rovnaký typ synapsií v rovnakej oblasti mozgu priniesli rôzne hodnoty synaptickej sily. Táto experimentálne pozorovaná variabilita však sťažuje hľadanie všeobecných princípov." „Robustná funkcia neurónových sietí,“ vysvetľuje prof. Tatjana Tchumatchenko, vedúca výskumnej skupiny v Inštitúte pre experimentálnu epileptológiu a výskum kognície pri UKB a v Inštitúte pre fyziologickú chémiu pri Univerzitnom medicínskom centre Mainz, motiváciu na uskutočnenie štúdie.

Matematika a laboratórium rozumne skombinované

V primárnej zrakovej kôre (V1) sa najskôr zaznamenajú vizuálne podnety, ktoré oko posúva dopredu cez talamus, kontrolný bod pre zmyslové vnemy v diencefale. Vedci sa bližšie pozreli na spojenia medzi neurónmi, ktoré sú v tomto procese aktívne. Na tento účel výskumníci experimentálne zmerali spoločnú reakciu dvoch tried neurónov na rôzne vizuálne podnety na myšom modeli. Zároveň použili matematické modely na predpovedanie sily synaptických spojení. Na vysvetlenie ich laboratórne zaznamenanej aktivity takýchto sieťových spojení v primárnej zrakovej kôre použili takzvanú „stabilizovanú supralineárnu sieť“ (SSN). „Je to jeden z mála nelineárnych matematických modelov, ktorý ponúka jedinečnú príležitosť porovnať teoreticky simulovanú aktivitu so skutočne pozorovanou aktivitou,“ hovorí prof. Laura Busse, vedúca výskumnej skupiny v LMU Neurobiology. "Ukázali sme, že kombinácia SSN s experimentálnymi záznamami vizuálnych reakcií v myšacom talame a kôre nám umožňuje určiť rôzne súbory sily spojenia, ktoré vedú k zaznamenaným vizuálnym reakciám vo vizuálnej kôre."

Poradie medzi silami spojenia je kľúčové

Vedci zistili, že za pozorovanou variabilitou sily synapsie je poriadok. Napríklad spojenia medzi excitačnými a inhibičnými neurónmi boli vždy najsilnejšie, zatiaľ čo spätné spojenia vo zrakovej kôre boli slabšie. Je to preto, že absolútne hodnoty synaptických síl pri modelovaní sa – ako v predchádzajúcich experimentálnych štúdiách – menili, no stále sa vždy držali určitého poradia. Pre priebeh a silu meranej aktivity teda nie sú rozhodujúce absolútne hodnoty, ale relatívne podmienky.

"Je pozoruhodné, že analýza predchádzajúcich priamych meraní synaptických spojení odhalila rovnaké usporiadanie synaptických síl ako naša modelová predpoveď založená len na nameraných neurónových odpovediach."

Simon Renner, Ph.D., Neurobiológia LMU

Rennerove experimentálne záznamy kortikálnej a talamickej aktivity umožnili charakterizovať spojenia medzi kortikálnymi neurónmi. "Naše výsledky ukazujú, že aktivita neurónov obsahuje množstvo informácií o základnej štruktúre neurónových sietí, ktoré nie sú bezprostredne zrejmé z priamych meraní síl synapsií. Naša metóda teda otvára sľubnú perspektívu pre štúdium sieťových štruktúr, ktoré sú ťažko experimentálne dostupné." " vysvetľuje Nataliya Kraynyukova, Ph.D., z Inštitútu experimentálnej epileptológie a výskumu kognície UKB a Inštitútu Maxa Plancka pre výskum mozgu vo Frankfurte. Táto štúdia je výsledkom interdisciplinárnej spolupráce medzi laboratóriom prof. Busseho a prof. Tchumatčenka, ktorí úzko spolupracovali na základe svojich výpočtových a experimentálnych skúseností.

Zdroj:

Univerzitná nemocnica v Bonne

Referencia:

Kraynyukova, N., a kol. (2022) In vivo extracelulárne záznamy talamických a kortikálnych vizuálnych reakcií odhaľujú pravidlá konektivity V1. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.

.