Нови прозрения за сложността на мозъка

Резюме: Нов изчислителен модел на невронната активност на C. elegans служи за разкриване на ролите на различни неврони.

Източник: CSH

Скорошно проучване на Complexity Science Hub (CSH) Виена проправя пътя към по-задълбочено вникване в сложността на човешкия мозък, един от най-големите и сложни органи в човешкото тяло.

Изследването – което разработва математическа и изчислителна рамка за анализиране на невронната активност в C. elegansмалък червей, който е бил използван като моделен организъм за изследване на невронната активност – беше публикувано в петък в дневника PLoS изчислителна биология.

Микроскопичният организъм, състоящ се само от 1000 клетки – 300 от които неврони -, е точно картографиран, но ролята на невроните в контролирането на поведението остава спорна, заявява Едуард Лий, научен сътрудник в CSH и автор на статията.

Въз основа на последните постижения в измерването на неврони в живи червеи, новото проучване предлага начин за разкриване на ролите на невроните чрез използване на по-естествени смущения.

„В работата се опитваме да бъдем по-холистични, в смисъл, че вземаме всички данни и се опитваме да разберем кои набори от неврони принадлежат заедно и са свързани с конкретно поведение“, казва Лий.

“С други думи, ако искам червеят да завие наляво, не ме интересува един конкретен неврон, вероятно ме интересува множество различни неврони.”

Експериментиране с проста невронна система

Лий и неговият екип изучават червея като пример, тъй като неговата проста невронна система осигурява солидна основа за разбиране на механизмите на мозъците на висши животни, като хората.

Изследователите разработиха математически модел за колективна невронна активност. След това те проведоха в силико експеримент с малки невронни смущения, които могат да предизвикат поведенчески реакции и могат да бъдат възпроизведени в научно изпитване.

„Идеята е, че ако можете в модел да натискате всеки от невроните по различни начини, можете да измерите как се променя поведението. И ако поведението се промени, например, по-силно, когато два неврона се притиснат заедно, тогава по някакъв начин тези два неврона образуват набор и не са независими един от друг “, обяснява Лий.

Бъдещи изследвания в неврологията

Лий казва, че резултатите сочат интересни неврони, които могат да се използват като отправна точка за невронаучни изследвания.

Въз основа на последните постижения в измерването на неврони в живи червеи, новото проучване предлага начин за разкриване на ролите на невроните чрез използване на по-естествени смущения. Изображението е публично достояние

Проучването, което анализира около 50 неврона в C. elegans нервната система, предполага, че има шепа „основни“ неврони, които са свързани с голям отговор в статистиката.

„Може би е добра идея да погледнете тези неврони“, посочва ученият от CSH.

„Да знаете, че невронът е замесен в специфично поведение, не ви казва какво прави. Някои от експерименталните резултати не показват, че невронът непременно е участвал в поведение по важен начин, например “, казва Лий.

Когато множество неврони участват в определено поведение, може да е интересно да се проучи как работят заедно или един срещу друг.

Документът поставя няколко нови хипотези относно това как поведенческият контрол може да бъде централизиран в определени невронни клетки.

„Предлагаме теоретична рамка за задаване на тези въпроси и за правене на прогнози“, заключава Лий, добавяйки, че се надява експериментите да отговорят на тях през следващите години.

За тази новина за изследване на невронауката

автор: Верена Ане
Източник: CSH
контакт: Верена Ане – CSH
Образ: Изображението е публично достояние

Вижте също

Това показва очертанията на глава и въпросителен знак

Оригинално изследване: Свободен достъп.
Откриване на оскъдни стратегии за контрол в невронната активност“От Едуард Лий и др. PLOS изчислителна биология


абстрактно

Откриване на оскъдни стратегии за контрол в невронната активност

Биологични вериги като невронни или генни регулаторни мрежи използват вътрешни състояния, за да картографират сензорния вход към адаптивен репертоар от поведение. Характеризирането на това картографиране е основно предизвикателство за системната биология.

Въпреки че експериментите, които изследват вътрешните състояния, се развиват бързо, сложността на организма представлява основна пречка, като се имат предвид многото възможни начини, по които вътрешните състояния могат да се съпоставят с поведението.

Използвайки C. elegans като пример, ние предлагаме протокол за систематично смущение на невронни състояния, който ограничава експерименталната сложност и в крайна сметка може да помогне за характеризиране на колективните аспекти на невронно-поведенческата карта.

Ние разглеждаме експериментално мотивирани малки смущения – тези, които е най-вероятно да запазят естествената динамика и са по-близо до механизмите за вътрешен контрол – към невронните състояния и тяхното въздействие върху колективната невронна активност. След това свързваме такива смущения с локалната информационна геометрия на колективната статистика, която може да бъде напълно характеризирана с помощта на смущения по двойки.

Прилагане на протокола към минимален модел на C. elegans невронна активност, откриваме, че колективната невронна статистика е най-чувствителна към няколко основни смущаващи режима. Доминиращите собствени стойности се разпадат първоначално като степенен закон, разкривайки йерархия, която възниква от вариациите в индивидуалната невронна активност и взаимодействията по двойки.

Режимите с най-висок ранг обикновено са доминирани от няколко „основни“ неврони, които представляват по-голямата част от чувствителността на системата, което предполага рядък механизъм на колективен контрол.