zhrnutie: Nová štúdia odhaľuje, do akej miery môžu skúsenosti ovplyvniť konektivitu mozgu. Štúdia použila neuročip s viac ako 4000 elektródami na sledovanie nervovej aktivity v mozgoch myší.

Výsledky ukázali, že myši žijúce v obohatenom prostredí mali podstatne viac prepojených neurónov ako myši žijúce v štandardnom prostredí. Nielenže tieto zistenia poskytujú pohľad na plasticitu mozgu, ale majú aj potenciálne využitie v umelej inteligencii.

Kľúčové fakty:

1. Tím výskumníkov použil neuročip na monitorovanie nervovej aktivity v mozgu myší a zistil, že obohatené prostredie výrazne zvýšilo konektivitu v neurónoch.
2. Výskum poskytuje prelomové pochopenie plasticity mozgu a rozsiahlych neurónových sietí.
3. Zistenia štúdie majú potenciálne dôsledky pre umelú inteligenciu, pretože tieto poznatky pomáhajú informovať o nových algoritmoch strojového učenia.

zdroj: DZNE

Účinky týchto skúseností na konektivitu mozgu sú už nejaký čas známe, ale prelomová štúdia výskumníkov z Nemeckého centra pre neurodegeneratívne choroby (DZNE) a TUD Dresden University of Technology teraz ukazuje, aké veľké sú tieto účinky v skutočnosti.

Zistenia na myšiach poskytujú bezprecedentný pohľad na zložitosť rozsiahlych neurónových sietí a plasticitu mozgu. Okrem toho by mohli pripraviť pôdu pre nové metódy umelej inteligencie inšpirované mozgom.

Zistenia založené na inovatívnej technológii „brain-on-a-chip“ sú publikované vo vedeckom časopise Biosenzory a bioelektronika.

Vedci z Drážďan skúmali otázku, ako bohaté skúsenosti ovplyvňujú mozgové okruhy. Na tento účel nasadili takzvaný neuročip s viac ako 4000 elektródami na detekciu elektrickej aktivity mozgových buniek. Táto inovatívna platforma umožnila súčasne zaznamenať „oheň“ tisícok neurónov.

Skúmaná oblasť – oveľa menšia ako veľkosť ľudského nechtu – pokrývala celý hipokampus myši. Táto štruktúra mozgu, zdieľaná ľuďmi, hrá kľúčovú úlohu pri učení a pamäti, vďaka čomu je hlavným cieľom demencií, ako je Alzheimerova choroba.

Vedci vo svojej štúdii porovnávali mozgové tkanivo z myší, ktoré boli odchované inak. Zatiaľ čo jedna skupina hlodavcov bola chovaná v štandardných klietkach, ktoré neposkytovali žiadne špeciálne podnety, ostatné skupiny boli umiestnené v „obohatenom prostredí“, ktoré zahŕňalo prestaviteľné hračky a plastové rúrky podobné bludisku.

„Výsledky ďaleko prekročili naše očakávania,“ povedal Dr. Haider Amin, vedúci vedec štúdie. Amin, odborník na neuroelektroniku a výpočtovú neurovedu, vedie výskumnú skupinu v DZNE. On a jeho tím vyvinuli technológiu a analytické nástroje použité v tejto štúdii.

Zjednodušene by sa dalo povedať, že neuróny u myší z obohateného prostredia boli prepojené viac ako tie, ktoré boli vychované v bežnom ustajnení.Bez ohľadu na to, na aký parameter sme sa pozreli, bohatšie skúsenosti doslova posilnili spojenia v neurónových sieťach.

„Tieto zistenia naznačujú, že aktívny a rôznorodý život formuje mozog na úplne nových základoch.“

Bezprecedentný pohľad do mozgových sietí

Profesor Gerd Kemperman, ktorý viedol štúdiu a pracoval na otázke, ako fyzická a kognitívna aktivita pomáha mozgu vytvárať odolnosť voči starnutiu a neurodegeneratívnym ochoreniam, dosvedčuje: „Všetko, čo v tejto oblasti doteraz vieme, sme čerpali buď z štúdie s použitím jednotlivých elektród alebo techník.“ Zobrazovanie, ako je MRI.

„Priestorovo-časové rozlíšenie týchto techník je oveľa hrubšie ako náš prístup. Tu môžeme doslova vidieť, ako sa obvod rozbieha na úrovni jednotlivých buniek. Použili sme pokročilé výpočtové nástroje na extrahovanie veľkého množstva detailov o dynamike sieť v priestore a čase z našich nahrávok.“

„Objavili sme množstvo údajov demonštrujúcich výhody mozgu formovaného bohatými skúsenosťami. To otvára cestu k pochopeniu úlohy plasticity a tvorby rezerv v boji proti neurodegeneratívnym ochoreniam, najmä vo vzťahu k novým preventívnym stratégiám,“ povedal profesor. Kemperman, ktorý okrem toho, že je výskumníkom v DZNE, patrí aj do Centra omladzovacích terapií Dresden (CRTD) na TU Dresden.

„Tiež to pomôže poskytnúť prehľad o chorobných procesoch spojených s neurodegeneráciou, ako sú dysfunkcie mozgových sietí.“

potenciál v umelej inteligencii inšpirovanej mozgom

„Odhalením toho, ako skúsenosti formujú mozgovú sieť a dynamiku, nielenže posúvame hranice výskumu mozgu,“ hovorí doktor Amin.

„Umelá inteligencia je inšpirovaná tým, ako mozog počíta informácie. Naše nástroje a poznatky, ktoré umožňujú ich generovanie, teda môžu otvoriť cestu pre nové algoritmy strojového učenia.“

O tomto hľadaní správ o neuroplasticite

autor: Marcus Nitzert
zdroj: DZNE
komunikácia: Marcus Nitzert – DZNE
obrázok: Obrázok pripísaný Neuroscience News

Pôvodné vyhľadávanie: otvorený prístup.
„Biosenzor na báze CMOS s vysokým rozlíšením na hodnotenie dynamiky hipokampálneho obvodu v plasticite závislej od pokusuAutor Haider Amin a kol. Biosenzory a bioelektronika

Súhrn

Biosenzor na báze CMOS s vysokým rozlíšením na hodnotenie dynamiky hipokampálneho obvodu v plasticite závislej od pokusu

Experimentálna bohatosť vytvára zmeny na úrovni tkaniva a synaptickú plasticitu, keď sa vzory vynárajú z rytmickej časopriestorovej aktivity veľkých, vzájomne prepojených neurónových agregácií.

Napriek mnohým experimentálnym a výpočtovým prístupom v rôznych mierkach zostáva presný vplyv skúseností na dynamiku výpočtovej techniky na úrovni siete nedostupný z dôvodu nedostatku všeobecne použiteľnej metodológie hodnotenia.

Tu demonštrujeme rozsiahly, viacmiestny hybridný mozgový obvod na biosenzore založenom na CMOS s bezprecedentným časopriestorovým rozlíšením 4 096 mikroelektród, čo umožňuje simultánne elektrofyziologické hodnotenie v celej hipokampálnej a kortikálnej podsieti potkanov v podmienkach bohatých na prostredie (ENR) a kontrolných podmienkach. Štandardné bývanie (SD).

Naša platforma vybavená rôznymi výpočtovými analýzami odhaľuje účinky obohatenia prostredia na lokálnu a globálnu časopriestorovú neurónovú dynamiku, synchronizáciu spustenia, zložitosť topologickej siete a neurónovú sieť vo veľkom rozsahu.

Naše výsledky identifikujú výraznú úlohu predchádzajúceho experimentovania pri zlepšovaní viacrozmerného kódovania tvoreného neurónovými súbormi, tolerancii chýb a odolnosti voči náhodným zlyhaniam v porovnaní so štandardnými podmienkami.

Rozsah a hĺbka týchto účinkov zdôrazňuje kritickú úlohu rozsiahlych biosenzorov s vysokou hustotou, ktoré poskytujú nové chápanie výpočtovej dynamiky a spracovania informácií v podmienkach multimodálnej a na skúsenostiach závislej fyziologickej plasticity a ich úlohy vo vyšších mozgových funkciách.

Znalosť tejto rozsiahlej dynamiky môže inšpirovať vývoj biologicky hodnoverných výpočtových modelov a výpočtových sietí AI a rozšíriť neurálne výpočty inšpirované mozgom do nových aplikácií.