Badanie z udziałem danio pręgowanego ujawnia, w jaki sposób sieci neuronowe pnia mózgu kierują ruchem oczu, oferując nowy model naśladujący te sieci w celu przewidywania ich aktywności, potencjalnie wspomagając leczenie chorób oczu i poprawiając naszą wiedzę o pamięci krótkotrwałej.
Naukowcy z Weill Cornell Medicine i ich współpracownicy odkryli, w jaki sposób połączenia w sieci neuronów pnia mózgu kontrolują wzrok u tygodniowych larw danio pręgowanego. Opublikowano dzisiaj (22 listopada) w Neuronauka przyrodniczabadanie wykazało, że uproszczony sztuczny obwód zaprojektowany w oparciu o tę architekturę neuronową może dokładnie przewidywać aktywność sieci. Odkrycia te nie tylko pogłębiają naszą wiedzę na temat sposobu, w jaki mózg zarządza pamięcią krótkotrwałą, ale także stwarzają potencjał do opracowania innowacyjnych metod leczenia zaburzeń ruchu gałek ocznych.
Mózg stale przetwarza zalew informacji zmysłowych ze stale zmieniającego się środowiska. Aby dane wejściowe miały sens, muszą tymczasowo zachować kluczowe szczegóły — czy to połączyć słowa w zdanie, czy też zachować wzrokową ostrość na konkretnym obiekcie. Ta zdolność do przechowywania i wykorzystywania informacji zmysłowych jest kluczowa dla tworzenia spójnego zrozumienia świata.
„Głównym celem projektu jest próba zrozumienia, w jaki sposób te zachowania pamięci krótkotrwałej powstają na poziomie mechanizmów neuronalnych” – powiedział starszy autor, dr Emre Aksay, profesor nadzwyczajny fizjologii i biofizyki w Weill Cornell Medicine, który kierował badaniem badania wspólnie z dr Markiem Goldmanem na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis i dr Sebastianem Seungiem przy ul Uniwersytet Princeton.
Modelowanie pamięci i ruchu
Aby rozszyfrować zachowanie takich obwodów neuronowych, neurobiolodzy wykorzystują narzędzia systemów dynamicznych, które polegają na budowaniu modeli matematycznych opisujących, jak stan układu zmienia się w czasie, gdzie stan bieżący określa jego przyszłe stany zgodnie z zestawem reguł. Na przykład obwód pamięci krótkotrwałej pozostanie w jednym preferowanym stanie, dopóki nie nadejdzie nowy bodziec, powodując jego przejście w nowy stan aktywności. W układzie wzrokowo-ruchowym każdy z tych stanów może przechowywać pamięć o tym, gdzie zwierzę powinno patrzeć.
Ale jakie parametry pomagają skonfigurować tego typu system dynamiczny? Jedną z możliwości jest anatomia obwodu: połączenia, które tworzą się między każdym neuronem i liczba połączeń, które tworzą. Inną prawdopodobną możliwością jest fizjologiczna siła tych połączeń, na którą wpływa niezliczona ilość czynników, takich jak ilość neuroprzekaźnik uwalniany, rodzaj receptorów synaptycznych i stężenie tych receptorów.
Aby zrozumieć wkład anatomii obwodów, dr Aksay i jego współpracownicy przyjrzeli się larwom danio pręgowanego. W wieku pięciu dni rybki te pływają i polują na zdobycz, co wymaga ciągłej uwagi wzrokowej. Co ważne dla zespołu badawczego, obszar mózgu kontrolujący ruchy oczu jest strukturalnie podobny u ryb i ssaków. Jednak system danio pręgowanego zawiera tylko 500 neuronów. „Możemy zatem przeanalizować cały obwód – mikroskopowo i funkcjonalnie” – powiedział dr Aksay. „To bardzo trudne do zrobienia w innych kręgowce.”
Zaawansowane obrazowanie i modelowanie obliczeniowe
Korzystając z szeregu zaawansowanych technik obrazowania, dr Aksay i współpracownicy zidentyfikowali neurony biorące udział w kontrolowaniu wzroku zwierząt, a następnie ustalili, w jaki sposób te neurony są ze sobą połączone. Odkryli, że system składa się z dwóch wyraźnych pętli sprzężenia zwrotnego, z których każda zawiera trzy skupiska ściśle połączonych komórek. Naukowcy wykorzystali tę charakterystyczną architekturę do zbudowania modelu obliczeniowego. Odkryli, że ich sztuczna sieć może dokładnie przewidywać wzorce aktywności obwodu danio pręgowanego, co potwierdzili, porównując swoje wyniki z danymi fizjologicznymi.
„Uważam się przede wszystkim za fizjologa” – powiedział dr Aksay. „Byłem więc zaskoczony, jak wiele zachowań obwodu mogliśmy przewidzieć na podstawie samej architektury anatomicznej”.
Następnie badacze zbadają, w jaki sposób komórki w każdym klastrze przyczyniają się do zachowania obwodu i czy neurony w różnych klastrach mają odrębne sygnatury genetyczne. Takie informacje mogłyby umożliwić klinicystom ukierunkowanie terapeutyczne tych komórek, które mogą działać nieprawidłowo w przypadku zaburzeń ruchu gałek ocznych. Odkrycia dostarczają również planu rozwikłania bardziej złożonych systemów obliczeniowych w mózgu, które opierają się na pamięci krótkotrwałej, takich jak te zaangażowane w rozszyfrowywanie scen wizualnych lub rozumienie mowy.
Referencja: 22 listopada 2024 r., Neuronauka przyrodnicza.
Badanie to zostało częściowo wsparte przez Narodowe Instytuty Zdrowia granty Narodowego Instytutu Chorób Neurologicznych i Udarów Mózgu R01 NS104926 oraz nagroda inicjatywy Brain 5U19NS104648; Narodowy Instytut Oka R01 EY027036, R01 EY021581 i K99 EY027017; oraz Narodowy Instytut Raka UH2 CA203710.
