Estructura secreta en el diagrama de cableado del cerebro
Los investigadores descubren un orden oculto en conexiones aparentemente aleatorias entre neuronas
En el cerebro, nuestra percepción surge de una compleja interacción de neuronas que están conectadas mediante sinapsis. Pero el número y la fuerza de las conexiones entre determinados tipos de neuronas pueden variar. Investigadores del Hospital Universitario de Bonn (UKB), el Centro Médico Universitario de Maguncia y la Universidad Ludwig-Maximilians de Múnich (LMU), junto con un equipo de investigación del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro de Fráncfort, en el marco del Programa Prioritario "Conectómica Computacional" (SPP2041), financiado por la DFG, han descubierto ahora que la estructura de la fuerza de las conexiones neuronales, aparentemente irregular, contiene un orden oculto. Esto es esencial para la estabilidad de la red neuronal. El estudio se ha publicado ahora en la revista "PNAS".
Neuronas del sistema visual del ratón: Verde: neuronas inhibidoras marcadas genéticamente.
UKB & LMU / Dr. Nataliya Kraynyukova; Dr. Simon Renner
Hace diez años, la conectómica, es decir, la creación de un mapa de las conexiones entre los aproximadamente 86.000 millones de neuronas del cerebro, fue declarada un hito futuro de la ciencia. Esto se debe a que en las redes neuronales complejas, las neuronas están conectadas entre sí por miles de sinapsis. En este caso, la fuerza de las conexiones entre neuronas individuales es importante porque es crucial para el aprendizaje y el rendimiento cognitivo. "Sin embargo, cada sinapsis es única y su fuerza puede variar con el tiempo. Incluso los experimentos en los que se midió el mismo tipo de sinapsis en la misma región del cerebro arrojaron valores diferentes para la fuerza sináptica. Sin embargo, esta variabilidad observada experimentalmente dificulta la búsqueda de principios generales que subyacen a la función robusta de las redes neuronales", afirma la profesora Tatjana Tchumatchenko, jefa de grupo de investigación en el Instituto de Epileptología Experimental e Investigación Cognitiva de la UKB y en el Instituto de Química Fisiológica del Centro Médico Universitario de Maguncia, explicando la motivación para realizar el estudio.
Matemáticas y laboratorio combinados a propósito
En la corteza visual primaria (V1) se registran primero los estímulos visuales transmitidos por el ojo a través del tálamo, un punto de conmutación de las impresiones sensoriales en el diencéfalo. Los investigadores examinaron las conexiones entre las neuronas que están activas durante este proceso. Para ello, los investigadores midieron experimentalmente la respuesta conjunta de dos clases de neuronas a diferentes estímulos visuales en el modelo de ratón. Al mismo tiempo, utilizaron modelos matemáticos para predecir la fuerza de las conexiones sinápticas. Para explicar las actividades registradas en el laboratorio de dichas conexiones de red en la corteza visual primaria, utilizaron la llamada "red supralineal estabilizada" (SSN). "Se trata de uno de los pocos modelos matemáticos no lineales que ofrece la posibilidad única de comparar la actividad simulada teóricamente con la actividad realmente observada", afirma la profesora Laura Busse, jefa del grupo de investigación de Neurobiología de la LMU. "Hemos podido demostrar que la combinación del SSN con los registros experimentales de las respuestas visuales en el tálamo y el córtex del ratón nos permite determinar diferentes conjuntos de fuerzas de conexión que conducen a las respuestas visuales registradas en el córtex visual".
La secuencia entre las fuerzas de conexión es la clave
Los investigadores descubrieron que había un orden detrás de la variabilidad observada en la fuerza de las sinapsis. Por ejemplo, las conexiones de las neuronas excitadoras a las inhibidoras eran siempre las más fuertes, mientras que las conexiones inversas en la corteza visual eran más débiles. Esto se debe a que los valores absolutos de las fortalezas sinápticas variaron en el modelado -como lo hicieron en los estudios experimentales anteriores- pero, sin embargo, siempre mantuvieron un cierto orden. Por tanto, las proporciones relativas son cruciales para el curso y la fuerza de la actividad medida, más que los valores absolutos. "Es notable que el análisis de las mediciones directas anteriores de las conexiones sinápticas revelara el mismo orden de las fortalezas sinápticas que nuestra predicción del modelo basada únicamente en las respuestas neuronales medidas", dice el doctor Simon Renner, de Neurobiología de la LMU, cuyas grabaciones experimentales de la actividad cortical y talámica permitieron caracterizar las conexiones entre las neuronas corticales. "Nuestros resultados demuestran que la actividad neuronal contiene mucha información sobre la estructura subyacente de las redes neuronales que no se desprende inmediatamente de las mediciones directas de la intensidad de las sinapsis. Por lo tanto, nuestro método abre una perspectiva prometedora para el estudio de las estructuras de las redes a las que es difícil acceder experimentalmente", explica la doctora Nataliya Kraynyukova, del Instituto de Epileptología Experimental e Investigación Cognitiva de la UKB y del Instituto Max Planck para la Investigación del Cerebro en Frankfurt. Este estudio es el resultado de una colaboración interdisciplinar entre el laboratorio del profesor Busse y el del profesor Tchumatchenko, que han trabajado en estrecha colaboración, aprovechando la experiencia computacional y experimental de sus laboratorios.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Nataliya Kraynyukova*, Simon Renner*, Gregory Born, Yannik Bauer, Martin Spacek, Georgi Tushev, Laura Busse**, and Tatjana Tchumatchenko** [* shared first author; ** shared senior author]: In vivo extracellular recordings of thalamic and cortical visual responses reveal V1 connectivity rules; PNAS; 2022
Más noticias del departamento ciencias
Reciba la industria de las ciencias biológicas en su bandeja de entrada
No se pierda nada a partir de ahora: Nuestro boletín electrónico de biotecnología, productos farmacéuticos y ciencias de la vida le pone al día todos los martes y jueves. Las últimas noticias del sector, los productos más destacados y las innovaciones, de forma compacta y fácil de entender en su bandeja de entrada. Investigado por nosotros para que usted no tenga que hacerlo.
