Výskumníci projektu Human Brain Project z Forschungszentrum Jülich a Univerzity v Kolíne nad Rýnom (Nemecko) zistili, ako sú hustoty neurónov distribuované medzi kortikálnymi oblasťami av rámci nich v mozgu cicavcov. Odhalili základný organizačný princíp kortikálnej cytoarchitektúry: všadeprítomnú lognormálnu distribúciu neurónových hustôt.

Čísla neurónov a ich priestorové usporiadanie zohrávajú rozhodujúcu úlohu pri formovaní štruktúry a funkcie mozgu. Napriek množstvu dostupných údajov o cytoarchitektúre však štatistické distribúcie neurónových hustôt zostávajú do značnej miery necharakterizované. Nová štúdia Human Brain Project (HBP), publikovaná v časopise mozgová kôrazlepšuje naše chápanie organizácie mozgu cicavcov.

Analýza súborov údajov a lognormálne rozdelenie

Deväť zo siedmich verejne dostupných súborov údajov klasifikovať (myš, opica, makak, galago, sova opica, pavián a človek) poskytli základ pre výskum výskumného tímu. Po analýze kortikálnych oblastí každej z nich zistili, že hustoty neurónov v týchto oblastiach sledovali konzistentný vzor – lognormálne rozloženie. To poukazuje na základný organizačný princíp, ktorý je základom neurónových hustôt v mozgu cicavcov.

Lognormálne rozdelenie je štatistické rozdelenie charakterizované šikmou krivkou v tvare zvona. Vzniká napríklad pri prevzatí exponentu normálne rozloženej premennej. Od normálneho rozdelenia sa líši niekoľkými spôsobmi. Dôležitejšie je, že krivka normálneho rozdelenia je symetrická, zatiaľ čo krivka lognormálneho je asymetrická a má ťažký chvost.

Dôsledky a význam výsledkov

Tieto poznatky sú kľúčové pre presné modelovanie mozgu. „V neposlednom rade preto, že distribúcia neurónových hustôt ovplyvňuje sieťovú konektivitu,“ hovorí Sascha van Alpada, vedúci skupiny teoretickej neuroanatómie vo Forschungszentrum Jülich a hlavný autor článku. „Napríklad, ak je hustota synapsií konštantná, potom oblasti s nižšou hustotou neurónov dostanú viac synapsií na neurón,“ vysvetľuje. Tieto aspekty sú tiež dôležité pre návrh technológií inšpirovaných mozgom, ako sú neuromodulátory.

„Navyše, keďže kortikálne oblasti sa často rozlišujú na základe cytoarchitektúry, znalosť distribúcie neurónových hustôt môže byť relevantná pre štatistické hodnotenie rozdielov medzi regiónmi a umiestnením hraníc medzi regiónmi,“ dodáva Van Alpada.

Pochopenie lognormálneho rozdelenia vo vlastnostiach mozgu

Výsledky sú v súlade s predchádzajúcimi pozorovaniami, že mnohé vlastnosti mozgu sa riadia normálnym racionálnym rozdelením. „Jedným z dôvodov, prečo sú v prírode také bežné, je, že sa objavujú, keď sa berie do úvahy súčin mnohých nezávislých premenných,“ hovorí Alexander van Meijn, spoluautor štúdie. Inými slovami, lognormálne rozdelenie vzniká prirodzene ako výsledok operácií násobenia, podobne ako normálne rozdelenie, keď sa pridá veľa nezávislých premenných.

„Pomocou jednoduchého modelu sme dokázali ukázať, ako zdvojnásobenie neurónov počas vývoja môže viesť k pozorovaným distribúciám hustoty neurónov,“ vysvetľuje van Meijn.

Podľa štúdie v zásade organizačné štruktúry na úrovni mozgovej kôry môžu byť vedľajšími produktmi vývoja alebo vývoja a neplnia žiadnu výpočtovú funkciu; Ale skutočnosť, že rovnaké organizačné štruktúry možno pozorovať u mnohých druhov a vo väčšine kortikálnych oblastí naznačuje, že logaritmicky normálna distribúcia slúži svojmu účelu.

„Nemôžeme si byť istí, ako logaritmicky normálna distribúcia hustôt neurónov ovplyvňuje funkciu mozgu, ale pravdepodobne to súvisí s vysokou heterogenitou siete, čo by mohlo byť výpočtovo výhodné,“ hovorí Aitor Morales Gregorio, prvý autor štúdie, citujúc predchádzajúcu prácu. . čo naznačuje, že heterogenita v konektivite mozgu môže podporovať efektívny prenos informácií. Okrem toho heterogénne siete podporujú robustné učenie a zvyšujú pamäťovú kapacitu neurónových obvodov.

Odkaz: „Ubikvitinovaná log-normálna distribúcia hustoty neurónov v mozgovej kôre cicavcov“ od Aitor Morales-Gregorio, Alexander van Meijen a Sacha G van Albada, 6. júla 2023, k dispozícii tu. mozgová kôra.
doi: 10.1093/sircor/bhad160