Bylo objeveno matematické pravidlo, které stojí za distribucí neuronů v našem mozku

Výzkumníci projektu Human Brain Project z Forschungszentrum Jülich a Univerzity v Kolíně nad Rýnem (Německo) objevili, jak jsou hustoty neuronů distribuovány napříč a uvnitř kortikálních oblastí v mozku savců. Odhalili základní organizační princip kortikální cytoarchitektury: všudypřítomnou lognormální distribuci neuronových hustot.

Čísla neuronů a jejich prostorové uspořádání hrají zásadní roli při utváření struktury a funkce mozku. Navzdory velkému množství dostupných dat o cytoarchitektuře však statistické distribuce neuronových hustot zůstávají do značné míry necharakterizované. Nová studie Human Brain Project (HBP), publikovaná v časopise mozková kůrazlepšuje naše chápání organizace mozků savců.

Analýza datových souborů a lognormální rozdělení

Devět ze sedmi veřejně dostupných datových sad klasifikovat (myš, opice, makak, galago, sova opice, pavián a člověk) poskytly základ pro vyšetřování výzkumného týmu. Po analýze kortikálních oblastí každé z nich zjistili, že hustoty neuronů v těchto oblastech sledují konzistentní vzor – lognormální distribuci. To ukazuje na základní organizační princip, který je základem neuronových hustot v mozku savců.

Lognormální rozdělení je statistické rozdělení charakterizované zkosenou křivkou ve tvaru zvonu. Vzniká například při převzetí exponentu normálně rozdělené proměnné. Od normální distribuce se liší několika způsoby. Ještě důležitější je, že normální distribuční křivka je symetrická, zatímco lognormální křivka je asymetrická a má těžký konec.

Důsledky a význam výsledků

Tyto poznatky jsou zásadní pro přesné modelování mozku. „V neposlední řadě proto, že rozložení hustot neuronů ovlivňuje konektivitu sítě,“ říká Sascha van Alpada, vedoucí skupiny pro teoretickou neuroanatomii ve Forschungszentrum Jülich a hlavní autor článku. „Například, pokud je hustota synapsí konstantní, pak oblasti s nižší hustotou neuronů obdrží více synapsí na neuron,“ vysvětluje. Tyto aspekty jsou také důležité pro návrh technologií inspirovaných mozkem, jako jsou neuromodulátory.

„Navíc, protože kortikální oblasti jsou často rozlišovány na základě cytoarchitektury, znalost distribuce neuronových hustot může být relevantní pro statistické hodnocení rozdílů mezi regiony a umístění hranic mezi regiony,“ dodává Van Alpada.

Pochopení lognormálního rozdělení ve vlastnostech mozku

Výsledky jsou v souladu s předchozími pozorováními, že mnoho mozkových vlastností sleduje normální racionální rozdělení. „Jedním z důvodů, proč jsou v přírodě tak běžné, je to, že se objevují, když se vezme v úvahu součin mnoha nezávislých proměnných,“ říká Alexander van Meijn, spoluprvní autor studie. Jinými slovy, lognormální rozdělení přirozeně vzniká jako výsledek operací násobení, podobně jako normální rozdělení, když se přidá mnoho nezávislých proměnných.

„Pomocí jednoduchého modelu jsme byli schopni ukázat, jak zdvojnásobení neuronů během vývoje může vést k pozorované distribuci hustoty neuronů,“ vysvětluje van Meijn.

Podle studie v zásadě organizační struktury na úrovni mozkové kůry mohou být vedlejšími produkty vývoje nebo vývoje a neslouží žádné výpočetní funkci; Ale skutečnost, že stejné organizační struktury lze pozorovat u mnoha druhů a napříč většinou kortikálních oblastí, naznačuje, že logaritmicky normální distribuce slouží svému účelu.

„Nemůžeme si být jisti, jak lognormální distribuce hustot neuronů ovlivňuje mozkové funkce, ale pravděpodobně to souvisí s vysokou heterogenitou sítě, která by mohla být výpočetně výhodná,“ říká Aitor Morales Gregorio, první autor studie, s odkazem na předchozí práci. které naznačují, že heterogenita v konektivitě mozku může podporovat účinný přenos informací. Kromě toho heterogenní sítě podporují robustní učení a zvyšují paměťovou kapacitu nervových obvodů.

Odkaz: „Ubikvitinovaná log-normální distribuce hustoty neuronů v mozkové kůře savců“ od Aitor Morales-Gregorio, Alexander van Meijen a Sacha G van Albada, 6. července 2023, k dispozici zde. mozková kůra.
doi: 10.1093/sircor/bhad160