Študija kaže, da struktura nepravilnih moči nevronskih povezav vsebuje skriti vrstni red

Študija kaže, da struktura nepravilnih moči nevronskih povezav vsebuje skriti vrstni red

V možganih je naše zaznavanje ustvarjeno s kompleksno interakcijo nevronov, ki so povezani preko sinaps. Vendar se lahko število in moč povezav med določenimi vrstami nevronov razlikujeta. Raziskovalci iz Univerzitetne bolnišnice v Bonnu (UKB), Univerzitetne bolnišnice v Mainzu in Univerze Ludwiga Maximiliana v Münchnu (LMU) so skupaj z raziskovalno skupino z Inštituta Max Planck za raziskave možganov v Frankfurtu v okviru projekta, ki ga financira DFG, The Priority Program “Computational Connectomics” (SPP2041), zdaj odkrili, da struktura navidezno nepravilnih moči nevronskih povezav vsebuje skrite naročilo. To je bistveno za stabilnost nevronske mreže. Študija je bila zdaj objavljena v znanstveni reviji "PNAS".

Pred desetimi leti je bila konektomika, torej izdelava zemljevida povezav med približno 86 milijardami nevronov v možganih, razglašena za bodoči mejnik v znanosti. Ker so v kompleksnih nevronskih mrežah nevroni med seboj povezani s tisočimi sinapsami. Moč povezav med posameznimi nevroni je pomembna, ker je ključnega pomena za učenje in kognitivno delovanje. "Vendar je vsaka sinapsa edinstvena in njena moč se lahko sčasoma spreminja. Tudi poskusi, ki merijo isto vrsto sinapse v isti možganski regiji, so dali različne vrednosti za sinaptično moč. Vendar pa ta eksperimentalno opažena variabilnost otežuje iskanje splošnih načel." "Motivacija za izvedbo študije pojasnjuje prof. Tatjana Tchumatchenko, vodja raziskovalne skupine na Inštitutu za eksperimentalno epileptologijo in kognitivne raziskave na UKB in na Inštitutu za fiziološko kemijo na Univerzitetnem kliničnem centru Mainz: "Močna funkcija nevronskih mrež.

Matematika in laboratorij smiselno združena

V primarni vidni skorji (V1) se najprej zabeležijo vizualni dražljaji, ki jih oko posreduje naprej preko talamusa, kontrolne točke za senzorične vtise v diencefalonu. Raziskovalci so pod drobnogled vzeli povezave med nevroni, ki so aktivni v tem procesu. Da bi to naredili, so raziskovalci eksperimentalno izmerili skupni odziv dveh razredov nevronov na različne vizualne dražljaje v mišjem modelu. Hkrati so uporabili matematične modele za napovedovanje moči sinaptičnih povezav. Da bi razložili njihovo laboratorijsko zabeleženo aktivnost takih omrežnih povezav v primarni vizualni skorji, so uporabili tako imenovano "stabilizirano supralinearno mrežo" (SSN). "To je eden redkih nelinearnih matematičnih modelov, ki ponuja edinstveno priložnost za primerjavo teoretično simulirane dejavnosti z dejansko opazovano dejavnostjo," pravi prof. Laura Busse, vodja raziskovalne skupine na LMU Neurobiology. "Pokazali smo, da nam združevanje SSN z eksperimentalnimi posnetki vizualnih odzivov v mišjem talamusu in skorji omogoča določitev različnih sklopov moči povezav, ki povzročajo posnete vizualne odzive v vidni skorji."

Vrstni red med močmi povezave je ključen

Raziskovalci so ugotovili, da je za opazovano spremenljivostjo v moči sinapse vrstni red. Na primer, povezave od ekscitatornih do inhibitornih nevronov so bile vedno najmočnejše, medtem ko so bile povratne povezave v vidnem korteksu šibkejše. To je zato, ker so se absolutne vrednosti sinaptičnih moči pri modeliranju - kot v prejšnjih eksperimentalnih študijah - spreminjale, vendar so se še vedno vedno držale določenega vrstnega reda. Za potek in moč merjene aktivnosti torej niso odločilne absolutne vrednosti, temveč relativni pogoji.

"Omeniti velja, da je analiza predhodnih neposrednih meritev sinaptičnih povezav razkrila enako urejenost sinaptičnih moči kot naša napoved modela, ki temelji samo na izmerjenih nevronskih odzivih."

Simon Renner, dr., nevrobiologija LMU

Rennerjevi eksperimentalni posnetki kortikalne in talamične aktivnosti so omogočili opredelitev povezav med kortikalnimi nevroni. "Naši rezultati kažejo, da nevronska aktivnost vsebuje veliko informacij o osnovni strukturi nevronskih mrež, ki niso takoj razvidne iz neposrednih meritev moči sinapse. Tako naša metoda odpira obetavno perspektivo za preučevanje omrežnih struktur, do katerih je težko dostopati eksperimentalno." " pojasnjuje dr. Nataliya Kraynyukova z Inštituta za eksperimentalno epileptologijo in kognitivno raziskovanje pri UKB in Inštituta Max Planck za raziskave možganov v Frankfurtu. Ta študija je rezultat interdisciplinarnega sodelovanja med laboratorijem prof. Busseja in prof. Tchumatchenka, ki sta tesno sodelovala in na podlagi svojega računalniškega in eksperimentalnega strokovnega znanja zgradila laboratorije.

Vir:

Univerzitetna bolnišnica Bonn

Referenca:

Kraynyukova, N., et al. (2022) Zunajcelični posnetki talamusa in kortikalnih vizualnih odzivov in vivo razkrivajo pravila povezljivosti V1. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.

.