Studien visar att strukturen av oregelbundna styrkor i neuronala anslutningar innehåller en dold ordning

Studien visar att strukturen av oregelbundna styrkor i neuronala anslutningar innehåller en dold ordning

I hjärnan skapas vår perception av en komplex interaktion av neuroner som är sammankopplade via synapser. Antalet och styrkan av kopplingar mellan specifika typer av neuroner kan dock variera. Forskare från universitetssjukhuset i Bonn (UKB), universitetssjukhuset i Mainz och Ludwig Maximilian University of München (LMU) tillsammans med en forskargrupp från Max Planck Institute for Brain Research i Frankfurt som en del av det DFG-finansierade projektet The Priority Program "Computational Connectomics" (SPP2041) har nu upptäckt att strukturen i den till synes dold neuronella ordningen innehåller en till synes dold ordning. Detta är väsentligt för stabiliteten i det neurala nätverket. Studien har nu publicerats i den vetenskapliga tidskriften "PNAS".

För tio år sedan förklarades connectomics, det vill säga skapandet av en karta över sambanden mellan de cirka 86 miljarder neuronerna i hjärnan, till en framtida milstolpe inom vetenskapen. För i komplexa neurala nätverk är nervceller kopplade till varandra genom tusentals synapser. Styrkan i kopplingarna mellan enskilda neuroner är viktig eftersom den är avgörande för inlärning och kognitiv prestation. "Men varje synaps är unik och dess styrka kan variera över tiden. Även experiment som mäter samma typ av synaps i samma hjärnregion gav olika värden för synaptisk styrka. Denna experimentellt observerade variabilitet gör det dock svårt att hitta allmänna principer." "Den robusta funktionen hos neuronala nätverk", förklarar Prof. Tatjana Tchumatchenko, forskargruppsledare vid Institutet för experimentell epileptologi och kognitionsforskning vid UKB och vid Institutet för fysiologisk kemi vid University Medical Center Mainz, motiveringen för att genomföra studien.

Matematik och laboratorium förnuftigt kombinerat

I primära synbarken (V1) registreras först synstimuli som ögat skickar vidare via thalamus, en kontrollpunkt för sinnesintryck i diencephalon. Forskarna tittade närmare på sambanden mellan nervcellerna som är aktiva i denna process. För att göra detta, mätte forskarna experimentellt det gemensamma svaret av två klasser av neuroner på olika visuella stimuli i en musmodell. Samtidigt använde de matematiska modeller för att förutsäga styrkan hos synaptiska samband. För att förklara deras laboratorieregistrerade aktivitet av sådana nätverksanslutningar i den primära visuella cortexen använde de det så kallade "stabiliserade supralinjära nätverket" (SSN). "Det är en av få olinjära matematiska modeller som erbjuder den unika möjligheten att jämföra teoretiskt simulerad aktivitet med faktiskt observerad aktivitet", säger professor Laura Busse, forskargruppsledare vid LMU Neurobiologi. "Vi visade att kombinationen av SSN med experimentella inspelningar av visuella svar i musens thalamus och cortex tillåter oss att bestämma olika uppsättningar av anslutningsstyrkor som ger upphov till de inspelade visuella svaren i den visuella cortex."

Ordningen mellan anslutningsstyrkorna är nyckeln

Forskarna fann att det fanns en ordning bakom den observerade variationen i synapsstyrka. Till exempel var kopplingarna från excitatoriska till hämmande neuroner alltid starkast, medan de omvända kopplingarna i den visuella cortex var svagare. Detta beror på att de absoluta värdena för de synaptiska styrkorna i modelleringen - som i de tidigare experimentella studierna - varierade, men ändå alltid höll sig till en viss ordning. Det är därför inte de absoluta värdena som är avgörande för den uppmätta aktivitetens förlopp och styrka, utan snarare de relativa förutsättningarna.

"Det är anmärkningsvärt att analys av tidigare direkta mätningar av synaptiska anslutningar avslöjade samma ordning av synaptiska styrkor som vår modellförutsägelse baserad på enbart uppmätta neuronala svar."

Simon Renner, Ph.D., LMU Neurobiologi

Renners experimentella inspelningar av kortikal och thalamisk aktivitet gjorde det möjligt att karakterisera kopplingarna mellan kortikala neuroner. "Våra resultat visar att neuronaktivitet innehåller mycket information om den underliggande strukturen hos neuronala nätverk som inte omedelbart framgår av direkta mätningar av synapsstyrkor. Således öppnar vår metod ett lovande perspektiv för studiet av nätverksstrukturer som är svåra att komma åt experimentellt." " förklarar Nataliya Kraynyukova, Ph.D., från Institutet för experimentell epileptologi och kognitionsforskning vid UKB och Max Planck Institute for Brain Research i Frankfurt. Denna studie är resultatet av ett tvärvetenskapligt samarbete mellan laboratoriet för Prof. Busse och Prof. Tchumatchenko, som arbetade nära tillsammans och baserat på deras beräknings- och experimentella expertis Byggd.

Källa:

Bonns universitetssjukhus

Hänvisning:

Kraynyukova, N., et al. (2022) In vivo extracellulära inspelningar av thalamiska och kortikala visuella svar avslöjar V1-anslutningsregler. PNAS. doi.org/10.1073/pnas.2207032119.

.