Jak połączenia synaptyczne w mózgu zmuszają komórki nerwowe do koordynowania ich pracy

Jak połączenia synaptyczne w mózgu zmuszają komórki nerwowe do koordynowania ich pracy

Wykład dr Pawła Boguszewskiego (Kwiecień 2019).

Anonim

Doskonale zsynchronizowany taniec neuronów daje nam siłę widzenia, słyszenia, węchu, poruszania się, zapamiętywania i refleksji. Ale choreografia może odnieść sukces tylko wtedy, gdy istnieje skuteczna komunikacja między tancerzami. Już samo to jest wystarczającym powodem, aby zbadać związki między parami neuronów. Ale co się stanie, jeśli do tańca dołączą więcej niż dwa neurony? Stojan Jovanović i prof. Dr Stefan Rotter z Bernstein Center Freiburg (BCF) Uniwersytetu Freiburga i Cluster of Excellence BrainLinks-BrainTools podeszli do tego pytania w nowym badaniu.

Ich wyniki zostały opublikowane w czasopiśmie PLOS Computational Biology . Wykorzystując połączenie matematycznych eksperymentów myślowych i inspirowanych biofizycznie symulacji komputerowych naukowcom udało się rozszerzyć swoje pomysły o parach interakcji między parami neuronów opracowanych we wcześniejszych badaniach z korelacjami trzeciego rzędu obejmującymi interakcje między trzema neuronami. Odkrycia stanowią podstawę dla lepszego zrozumienia aktywności sieci neuronowych w mózgu.

Wiadomości elektrochemiczne przekazywane przez różne typy synaps umożliwiają sprawną komunikację między neuronami. Jednak dokładne środki, za pomocą których synaptyczna sieć komunikacyjna wykonuje choreografię tego neuronowego baletu, są szeroko nieznane. "W eksperymencie można zaobserwować jedynie niewielki ułamek ogromnej liczby neuronów zaangażowanych w danym momencie, z przyczyn czysto technicznych", wyjaśnia Jovanović. Dlatego niemożliwe jest uchwycenie skoordynowanej interakcji dużych mas komórek w mózgu w całości, a modele matematyczne są przydatne do uzyskania dodatkowego wglądu.

"Wpływowa teoria uczenia się stwierdza, że ​​tylko dwa neurony, które komunikują się przez betonową synapsę, muszą być wzięte pod uwagę" - wyjaśnia Rotter. "Jeśli aktywacja sieci zmusza ich do wykonania określonego kroku tanecznego, synapsa zostaje wzmocniona, a jeśli sieć spowoduje, że wypadną z rytmu, synapsa zostaje osłabiona". Naukowcy zastosowali model matematyczny, proces Hawkesa, aby dowiedzieć się, jaką rolę mogą odgrywać tak zwane korelacje trzeciego rzędu w tym kontekście. Byli w stanie obliczyć względne znaczenie zależności pomiędzy trzema neuronami dla dynamiki sieci. Zastosowanie tych wyników do eksperymentalnie zmierzonej aktywności elektrycznej trzech komórek nerwowych pozwala naukowcom lepiej scharakteryzować strukturę sieci, a być może nawet wyprowadzić nowe zasady uczenia synaptycznego w mózgu.