В мозгу наше восприятие возникает из-за сложного взаимодействия нейронов, которые связаны через синапсы. Но количество и сила связей между отдельными типами нейронов могут различаться. Исследователи из Университетской больницы Бонна (UKB), Университетского медицинского центра Майнца и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU) вместе с исследовательской группой из Института исследований мозга им. Макса Планка во Франкфурте в рамках проекта, финансируемого DFG. Приоритетная программа «Вычислительная коннектомика» (SPP2041) обнаружила, что структура, казалось бы, неравномерной силы нейронных связей содержит скрытый порядок. Это необходимо для стабильности нейронной сети. Исследование опубликовано в журнале «PNAS».

Bluebonnet Nutrition, Зеаксантин плюс лютеин, 60 мягких желатиновых капсул

Десять лет назад коннектомика, то есть создание карты связей между примерно 86 миллиардами нейронов в мозгу, была объявлена ​​будущей вехой науки. Это связано с тем, что в сложных нейронных сетях нейроны связаны друг с другом тысячами синапсов. Здесь важна прочность связей между отдельными нейронами, поскольку она имеет решающее значение для обучения и когнитивных функций. «Однако каждый синапс уникален, и его сила может меняться со временем. Даже эксперименты, в которых измерялись синапсы одного и того же типа в одной и той же области мозга, давали разные значения синаптической силы. Однако эта экспериментально наблюдаемая изменчивость затрудняет поиск общих принципов, лежащих в основе надежная работа нейронных сетей», — говорит профессор Татьяна Чуматченко,

Целенаправленно объединили математику и лабораторию

В первичной зрительной коре (V1) сначала регистрируются зрительные стимулы, передаваемые глазом через таламус, точку переключения сенсорных впечатлений в промежуточном мозге. Исследователи более внимательно изучили связи между нейронами, которые активны во время этого процесса. Для этого исследователи экспериментально измерили совместный ответ двух классов нейронов на разные визуальные стимулы в модели мыши. В то же время они использовали математические модели для предсказания прочности синаптических связей. Чтобы объяснить зарегистрированную в лаборатории активность таких сетевых соединений в первичной зрительной коре, они использовали так называемую «стабилизированную супралинейную сеть» (SSN). «Это одна из немногих нелинейных математических моделей, которая предлагает уникальную возможность сравнить теоретически смоделированную активность с фактически наблюдаемой активностью», — говорит профессор Лаура Буссе, руководитель исследовательской группы в LMU Neurobiology. «Мы смогли показать, что объединение SSN с экспериментальными записями зрительных реакций в таламусе и коре мыши позволяет нам определять различные наборы сил связи, которые приводят к зарегистрированным зрительным реакциям в зрительной коре».

Последовательность между сильными соединениями является ключевым

Исследователи обнаружили, что за наблюдаемой изменчивостью силы синапсов был порядок. Например, связи от возбуждающих к тормозным нейронам всегда были самыми сильными, а обратные связи в зрительной коре были слабее. Это связано с тем, что абсолютные значения синаптических сил варьировались при моделировании, как и в более ранних экспериментальных исследованиях, но, тем не менее, всегда сохраняли определенный порядок. Таким образом, относительные соотношения имеют решающее значение для течения и силы измеряемой активности, а не абсолютные значения.

Примечательно, что анализ более ранних прямых измерений синаптических связей выявил тот же порядок силы синапсов, что и предсказание нашей модели, основанное только на измеренных реакциях нейронов».

Саймон Реннер, доктор философии, нейробиология LMU

Экспериментальные записи Реннера корковой и таламической активности позволили охарактеризовать связи между корковыми нейронами. «Наши результаты показывают, что нейронная активность содержит много информации о базовой структуре нейронных сетей, которая не сразу становится очевидной из прямых измерений силы синапсов. Таким образом, наш метод открывает многообещающую перспективу для изучения сетевых структур, которые трудно получить экспериментально. — объясняет Наталья Крайнюкова, доктор философии, из Института экспериментальной эпилептологии и когнитивных исследований UKB и Института исследований мозга им. Макса Планка во Франкфурте. Это исследование является результатом междисциплинарного сотрудничества между лабораториями профессора Буссе и профессора Чуматченко, которые тесно сотрудничали, опираясь на вычислительный и экспериментальный опыт своих лабораторий.