Gehirn findet, um inmitten des chaos

Gehirn findet, um inmitten des chaos

Wie funktioniert das Gehirn finden, um in einem Meer von Lärm und chaos? Forscher an der EPFL Blue Brain Project gefunden haben, die Antwort durch den Einsatz modernster Simulations-Techniken zu untersuchen, wie Nervenzellen miteinander reden. In einem Papier, veröffentlicht in Nature Communications, fanden Sie, dass durch die Arbeit im team, kortikalen Neuronen reagieren können sogar zu schwach Eingang vor dem hintergrund von Lärm und chaos, so dass das Gehirn zu finden, um.

Nervenzellen kommunizieren miteinander durch das versenden von schnellen Pulsen von elektrischen Signalen, sogenannte spikes. Auf den ersten Blick, das ist die generation, die diese Spitzen können sehr zuverlässig: wenn ein Isoliertes neuron ist immer wieder exakt die gleichen elektrischen Eingang, finden wir das gleiche Muster der spikes. Warum lässt sich die Aktivität von kortikalen Neuronen in einem lebenden Tier zu schwanken und scheinen tatsächlich so unterschiedlich?

Es gibt zwei Gründe für diese. Erstens, bei der übertragung eines Signals an ein anderes neuron, der Prozess kann manchmal nicht, und diese Ausfälle sind nicht vorhersehbar—wie das Rollen einer sterben, um zu entscheiden, auf ein Ergebnis. „Wir schätzen, dass die chance einer synapse zwischen zwei kortikalen pyramidalen Neuronen, die die übergabe eines chemischen neurotransmitter-signal kann so niedrig wie 10%“, erklärt der leitende Forscher Max Nolte. Diese Unsicherheit bedeutet, dass ein neuron hören die gleiche Nachricht, gesendet von verbundenen Neuronen, jedes mal anders.

Zweitens, wenn die zwei grundlegenden Arten von kortikalen Neuronen (erregenden und hemmenden) sind miteinander verbunden in einem Netzwerk, kleine Unsicherheiten in der Aktivität Muster werden verstärkt. Dies führt zu unvorhersehbaren Muster, ein Verhalten, das heißt chaos.

Dieser hintergrund der Lärm und das chaos schlägt vor, dass die einzelnen kortikalen Neuronen nicht finden können, um Feuer und zuverlässige spikes, und so muss sich das Gehirn „im Durchschnitt“ die Aktivität von vielen Neuronen, die für die Sicherheit hört der ganze Chor, anstelle von einzelnen Sängern.

Simulation neuroscience findet die Antwort

Die experimentellen Manipulationen erforderlich, zu entwirren, die Lärmquellen im Gehirn und zu bewerten, Ihre Auswirkungen auf die neuronale Aktivität sind derzeit nicht erfüllt werden können, in ein lebendes Tier in vivo oder auch in getrennten Hirngewebe in vitro. „Für den moment ist es einfach nicht möglich zu überwachen, alle die Tausende von Gehirn-weite Eingänge eines Neurons in vivo, noch ein-und ausschalten verschiedener Lärmquellen“, sagt Nolte. Die Annäherung der kortikalen Gewebe Datum in einem Modell ist die Blue-Brain-Projekt ist biologisch detaillierte digitale Rekonstruktion der Ratte neokortikalen microcircuitry (Zelle, 2015). Dieses computer-Modell bot eine ideale Plattform für die Forscher zu untersuchen, in welchem Maße die Stimmen der einzelnen Neuronen verstanden werden kann, wie es Daten enthält-constrained-Modelle der unzuverlässige Signalübertragung zwischen den Nervenzellen.

Mit diesem Modell, Sie fanden, dass die Aktivität, die spontan entsteht aus den vernetzten Neuronen ist sehr laut und chaotisch, mit sehr unterschiedlichen spike-mal in jeder Wiederholung. „Wir untersuchten den Ursprung und die Natur der kortikalen interne Variabilität mit einem biophysikalischen neokortikalen integrierten Schaltkreis-Modell mit biologisch realistischen Geräusch-Quellen“, verrät Nolte. „Wir haben beobachtet, dass die unzuverlässig neurotransmitter-Signale werden verstärkt durch wiederkehrende Netzwerk-Dynamik, verursacht eine rasch abklingende Erinnerung an die Vergangenheit—ein Meer von Lärm und chaos.“

Zuverlässige Antworten inmitten von Lärm und chaos

Aber, natürlich, das Gehirn von Säugetieren nicht über einen rasch verfallenden Speicher. In der Tat, vielleicht die faszinierendste Erkenntnis aus den Ergebnissen ist, dass spike mal, die waren sehr unzuverlässig beim spontanen Aktivität wurde sehr zuverlässig, wenn die Schaltung empfangenen externen Eingänge. Dieses Phänomen war nicht einfach eine Folge des starken externen Eingang direkt fahren die Neuronen, um zuverlässige Antworten. Auch die schwachen thalamocortical Eingang schalten könnte das Netzwerk kurz ein regime von hoch zuverlässigen spiking. An diesem Punkt werden die Interaktionen zwischen den Neuronen, die sonst verstärken Unsicherheit und chaos Umgekehrt verstärken die Zuverlässigkeit und damit das Gehirn zu finden, um.