A fost descoperită regula matematică din spatele distribuției neuronilor în creierul nostru

Densitățile neuronale din regiunile corticale ale creierului mamiferelor urmează un model de distribuție consistent. Această descoperire are implicații profunde pentru modelarea creierului și dezvoltarea tehnologiilor inspirate de creier. Credit: Morales Gregorio

Cercetătorii de la Human Brain Project de la Forschungszentrum Jülich și de la Universitatea din Köln (Germania) au descoperit cum densitățile neuronilor sunt distribuite în și în interiorul regiunilor corticale ale creierului mamiferelor. Ei au dezvăluit un principiu fundamental de organizare al citoarhitecturii corticale: distribuția lognormală omniprezentă a densităților neuronale.

Numerele neuronilor și aranjarea lor spațială joacă un rol critic în modelarea structurii și funcției creierului. Cu toate acestea, în ciuda bogăției de date de citoarhitectură disponibile, distribuțiile statistice ale densităților neuronale rămân în mare parte necaracterizate. Noul studiu al Human Brain Project (HBP), publicat în jurnal Cortex cerebralne îmbunătățește înțelegerea organizării creierului mamiferelor.

Analiza seturilor de date și distribuția lognormală

Nouă dintre cele șapte seturi de date disponibile public clasifica (șoarece, maimuță, macac, galago, maimuță bufniță, babuin și om) au stat la baza investigațiilor echipei de cercetare. După ce au analizat regiunile corticale ale fiecăreia, au descoperit că densitățile neuronilor din aceste regiuni au urmat un model consistent – o distribuție lognormală. Acest lucru indică un principiu fundamental de organizare care stă la baza densităților neuronale din creierul mamiferelor.

O distribuție lognormală este o distribuție statistică caracterizată printr-o curbă deformată, în formă de clopot. Apare, de exemplu, atunci când se ia exponentul unei variabile distribuite normal. Diferă de o distribuție normală în mai multe moduri. Mai important, curba de distribuție normală este simetrică, în timp ce curba lognormală este asimetrică și are o coadă grea.

Implicațiile și semnificația rezultatelor

Aceste perspective sunt esențiale pentru modelarea precisă a creierului. „Nu în ultimul rând pentru că distribuția densităților neuronale influențează conectivitatea rețelei”, spune Sascha van Alpada, lider de grup de neuroanatomie teoretică la Forschungszentrum Jülich și autor principal al lucrării. „De exemplu, dacă densitatea sinapselor este constantă, atunci regiunile cu densitate mai mică a neuronilor vor primi mai multe sinapse per neuron”, explică ea. Aceste aspecte sunt, de asemenea, relevante pentru proiectarea tehnologiei inspirate de creier, cum ar fi neuromodulatoarele.

„În plus, deoarece regiunile corticale sunt adesea distinse pe baza citoarhitecturii, cunoașterea distribuției densităților neuronale poate fi relevantă pentru evaluarea statistică a diferențelor dintre regiuni și a locațiilor granițelor dintre regiuni”, adaugă Van Alpada.

Înțelegerea distribuției lognormale în proprietățile creierului

Rezultatele sunt în concordanță cu observațiile anterioare conform cărora multe proprietăți ale creierului urmează o distribuție rațională normală. „Unul dintre motivele pentru care sunt atât de comune în natură este că apar atunci când se ia în considerare produsul multor variabile independente”, spune Alexander van Meijn, co-primul autor al studiului. Cu alte cuvinte, o distribuție lognormală apare în mod natural ca rezultat al operațiilor de înmulțire, similar cu modul în care apare o distribuție normală atunci când sunt adăugate multe variabile independente.

„Folosind un model simplu, am reușit să arătăm cum dublarea neuronilor în timpul dezvoltării ar putea duce la distribuțiile observate ale densității neuronilor”, explică van Meijn.

Potrivit studiului, în principiu, structurile organizaționale de la nivelul cortexului cerebral pot fi produse secundare ale dezvoltării sau dezvoltării și nu servesc nicio funcție de calcul; Dar faptul că aceleași structuri organizaționale pot fi observate pentru multe specii și în majoritatea regiunilor corticale sugerează că distribuția log-normală servește unui scop.

„Nu putem fi siguri cum distribuția lognormală a densităților neuronilor afectează funcția creierului, dar este probabil legată de eterogenitatea ridicată a rețelei, care ar putea fi avantajoasă din punct de vedere computațional”, spune Aitor Morales Gregorio, primul autor al studiului, citând lucrările anterioare. care sugerează că eterogenitatea conectivității creierului poate promova transmisia eficientă a informațiilor. În plus, rețelele eterogene susțin învățarea robustă și îmbunătățesc capacitatea de memorie a circuitelor neuronale.

Referință: „Distribuția log-normală ubiquitinată a densității neuronilor în cortexul cerebral al mamiferelor” De Aitor Morales-Gregorio, Alexander van Meijen și Sasha G. van Albada, 6 iulie 2023, disponibil aici. Cortex cerebral.
doi: 10.1093/sircor/bhad160