Neironu blīvums zīdītāju smadzeņu garozas reģionos seko konsekventam sadalījuma modelim. Šim atklājumam ir liela ietekme uz smadzeņu modelēšanu un smadzeņu iedvesmotu tehnoloģiju attīstību. Kredīts: Morales Gregorio
Cilvēka smadzeņu projekta pētnieki no Forschungszentrum Jülich un Ķelnes universitātes (Vācija) ir atklājuši, kā neironu blīvums tiek sadalīts zīdītāju smadzeņu garozas reģionos un to iekšienē. Viņi atklāja garozas citoarhitektūras pamatprincipu: visuresošs neironu blīvuma lognormāls sadalījums.
Neironu skaitam un to telpiskajam izvietojumam ir izšķiroša nozīme smadzeņu struktūras un funkcijas veidošanā. Tomēr, neskatoties uz pieejamo citoarhitektūras datu bagātību, neironu blīvuma statistiskais sadalījums lielākoties nav raksturots. Jaunais pētījums par cilvēka smadzeņu projektu (HBP), kas publicēts žurnālā smadzeņu garozauzlabo mūsu izpratni par zīdītāju smadzeņu organizāciju.
Datu kopu un lognormālā sadalījuma analīze
Deviņas no septiņām publiski pieejamajām datu kopām klasificēt (pele, pērtiķis, makaka, galago, pūces pērtiķis, paviāns un cilvēks) nodrošināja pamatu pētnieku grupas pētījumiem. Pēc katra kortikālo reģionu analīzes viņi atklāja, ka neironu blīvums šajos reģionos sekoja konsekventam modelim – lognormālam sadalījumam. Tas norāda uz fundamentālu organizēšanas principu, kas ir pamatā neironu blīvumam zīdītāju smadzenēs.
Lognormālais sadalījums ir statistisks sadalījums, ko raksturo šķība, zvanveida līkne. Tas rodas, piemēram, ja tiek ņemts normāli sadalīta mainīgā eksponents. Tas atšķiras no parastā sadalījuma vairākos veidos. Vēl svarīgāk ir tas, ka normālā sadalījuma līkne ir simetriska, savukārt lognormālā līkne ir asimetriska un tai ir smaga aste.
Rezultātu nozīme un nozīme
Šīs atziņas ir būtiskas precīzai smadzeņu modelēšanai. “Ne tikai tāpēc, ka neironu blīvuma sadalījums ietekmē tīkla savienojamību,” saka Saša van Alpada, Forschungszentrum Jülich teorētiskās neiroanatomijas grupas vadītājs un dokumenta vecākais autors. “Piemēram, ja sinapšu blīvums ir nemainīgs, tad reģioni ar zemāku neironu blīvumu saņems vairāk sinapses uz vienu neironu,” viņa skaidro. Šie aspekti attiecas arī uz smadzeņu iedvesmotu tehnoloģiju, piemēram, neiromodulatoru, izstrādi.
“Turklāt, tā kā kortikālos reģionus bieži izšķir, pamatojoties uz citoarhitektūru, zināšanas par neironu blīvuma sadalījumu var būt svarīgas, lai statistiski novērtētu atšķirības starp reģioniem un robežu atrašanās vietām starp reģioniem,” piebilst Van Alpada.
Izpratne par lognormālo sadalījumu smadzeņu īpašībās
Rezultāti saskan ar iepriekšējiem novērojumiem, ka daudzas smadzeņu īpašības atbilst normālam racionālam sadalījumam. “Viens no iemesliem, kāpēc tie ir tik izplatīti, ir tas, ka tie parādās, kad tiek ņemts vērā daudzu neatkarīgu mainīgo lielums,” saka Aleksandrs van Meijns, pētījuma līdzautors. Citiem vārdiem sakot, lognormāls sadalījums dabiski rodas reizināšanas operāciju rezultātā, līdzīgi kā normāls sadalījums parādās, kad tiek pievienoti daudzi neatkarīgi mainīgie.
“Izmantojot vienkāršu modeli, mēs varējām parādīt, kā neironu dubultošanās attīstības laikā var izraisīt novēroto neironu blīvuma sadalījumu,” skaidro van Meijns.
Saskaņā ar pētījumu, principā organizatoriskās struktūras smadzeņu garozas līmenī var būt attīstības vai attīstības blakusprodukti un nepilda nekādas skaitļošanas funkcijas; Taču fakts, ka vienas un tās pašas organizatoriskās struktūras var novērot daudzām sugām un lielākajā daļā kortikālo reģionu, liecina, ka log-normālais sadalījums kalpo kādam mērķim.
“Mēs nevaram būt pārliecināti, kā neironu blīvuma lognormālais sadalījums ietekmē smadzeņu darbību, bet tas, iespējams, ir saistīts ar lielo tīkla neviendabīgumu, kas varētu būt skaitļošanas ziņā izdevīgs,” saka Aitors Moraless Gregorio, pētījuma pirmais autors, atsaucoties uz iepriekšējo darbu. kas liecina, ka smadzeņu savienojamības neviendabīgums var veicināt efektīvu informācijas pārraidi. Turklāt neviendabīgi tīkli atbalsta spēcīgu mācīšanos un uzlabo neironu ķēžu atmiņas ietilpību.
Atsauce: “Ubikvitināts log-normāls neironu blīvuma sadalījums zīdītāju smadzeņu garozā” Autori Aitors Moraless-Gregorio, Aleksandrs van Meijens un Saša G. van Albada, 2023. gada 6. jūlijs, pieejams šeit. smadzeņu garoza.
doi: 10.1093/sircor/bhad160
