چگونه نورونها در نئوکورتکس میلیاردها اتصالات سیناپسی تشکیل میدهند

 

محققان در رویکردی کاملاً جدید دو مجموعه داده با ویژگی های عالی و در مقیاس بزرگ را با هم ترکیب کرده اند- که اولین مدل پیش ساخته قواعد هدایت اتصال نورون به نورون نئوکورتکس کامل موش است. آنها نمونه های آماری از میکرو کانکتوم ۱۰ میلیون نورونی تولید کردند، مدلی که پنج مرتبه بزرگتر و شامل ۸۸ میلیارد اتصال سیناپسی است. مبنایی برای بزرگترین شبیه سازی مدارهای عصبی با جزئیات در جهان.

ساختار اتصالات سیناپسی بین نورونها فعالیت و عملکرد آنها را شکل می دهد. اندازه گیری تصویر کوچک و جامعی از این به اصطلاح کانکتوم تاکنون فقط در حجم های کوچک و کوچکتر از سر یک سنجاق انجام شده است. برای حجم بیشتر، اتصال دوربرد، که توسط دسته های الیاف بسیار نازک اما طولانی تشکیل شده است، فقط برای تعداد کمی از نورون های منحصر به فرد مورد مطالعه قرار گرفته است، که از تصویر کامل به دور است. به جای آن، در مقیاس کلان، در یک نمای بزرگنمایی شده از ویژگی های میانگین که وضوح تک سلولی را ارائه نمی دهند، مورد مطالعه قرار گرفته است.

در جستجوی ترفند

در مقاله ای که در Nature Communications منتشر شده است، محققان Blue Brain نشان داده اند که ترفند در ترکیب این دو دیدگاه نهفته است. محققان با ادغام داده ها از دو مجموعه داده اخیر- اتصال اطلس مغز موش آلن و پروژه نورموش جانلیا – محققان برخی از قوانین کلیدی را مشخص کردند که نشان میدهد کدام یک از سلولهای عصبی می توانند در مسافت های طولانی در نئوکورتکس اتصالات برقرار کنند. این امر ممکن بود زیرا دو مجموعه داده از لحاظ کلیت نئوکورتکس و رزولوشن سلولی ارائه شده یکدیگر را تکمیل می کردند.

ظهور یک ساختار شگفت آور پیچیده در وضوح تک سلولی

محققان با تکیه بر کار قبلی خود در مدل سازی مدار مغزی موضعی، توانستند این اصول اتصال نئوکورتیکال را پارامتر کنند و نمونه های کانکتوم آماری سازگار با آنها را تولید کنند. وقتی آنها ساختار بدست آمده را مطالعه کردند، چیز شگفت انگیزی پیدا کردند. در وضوح سلولی، یک ساختار غافلگیرکننده پیچیده که تاکنون فقط بین نورونهای همسایه دیده شده بود، اکنون نیز در مناطق مختلف و در انتهای نورونها در سمت مخالف مغز، نورون ها را به هم گره زده است. این با قاعده شباهت خود که قبلاً در مغز انسان یافت شده است (داده های MRI) قابل مقایسه است و پیش بینی می کند که  این الگو در تمام سطوح تا نورون های منفرد گسترش می یابد.

مایکل ریمان، محقق اصلی اظهار میکند:

این باعث شد من دوباره فکر کنم که چگونه درباره این ارتباطات دوربرد می اندیشم.

آنها به عنوان کابل هایی شفاف به تصویر کشیده شده اند، کلیه مناطق مغز را به هم وصل یا هماهنگ می کنند. اما شاید تعداد بیشتری ازآنها وجود داشته باشد، هدفگذاری ویژه نورون های منحصر به فرد. و این تنها چیزی است که از چند اصل نسبتا بزرگ آموخته ایم. من انتظار دارم که با روشهای بهبود یافته در آینده چیزهای بیشتری پیدا کنیم. 

کانکتوم با دسترسی آزاد می تواند به عنوان یک مدل خالی قدرتمند برای مقایسه یافته های تجربی باشد

مایکل ریمان توضیح می دهد:

ما با استفاده از یک نسخه بهبود یافته از خط تولید مدار که قبلاً منتشر شده بود، اتصال اولیه نئوکورتکس موش را به اتمام رسانده ایم (مارکرام و همکاران، ۲۰۱۵).

با درنظر گرفتن هندسه و ترکیب سلولی مناطق منفرد مغزی، مکان قرار دادن نورونها به جای منشورهای شش ضلعی در اطلس مغز در فضاهای سه بعدی تعریف شده و عملا بهبود یافته است. این ترکیب براساس داده های موجود از اطلس سلولی منبع آزاد پروژه مغز آبی بود.

محدودیت های بیشتر از دیگر مجموعه داده های قابل دسترسی مشتق شده بودند. محدودیت های اضافی که تا کنون ناشناخته هستند، احتمالاً اتصالات دوربرد را حتی بیشتر محدود کنند. برای شروع فرآیند پالایش تکراری، مدل و داده ها را در دسترس عموم قرار دادیم. محدودیت های پارامترسازی در قدرت ارسال فایبر خروجی، نقشه برداری، پروفایل های لایه ای و هدف آکسون های منحصر به فرد (به عنوان مثال دستور طرح)، و همچنین وقایع تصادفی از میکرو کانکتوم های کل نئوکورتکس را می توان در این لینک مشاهده کرد  https://portal.bluebrain.epfl.ch/resources/models/mouse-projections

این کانکتوم علنا در دسترس می تواند به عنوان یک مدل خنثی قدرتمند برای مقایسه یافته های تجربی با آن و به عنوان بستری برای شبیه سازی دقیق شبکه های عصبی کل مغز خدمت کند. ماتریس های اتصال پراکنده چندین نمونه از مدل خنثی پیش بینی شده از اتصال دوربرد نئوکورتیکال نیز در دسترس عموم بوده است زیرا این نتیجه به طور فعال قدرت در دسترس قراردادن مجموعه داده ها را برای عموم نشان میدهد.

پیشبرد پرونده برای شبیه سازی

روش شبیه سازی (روی سیلیکون) به دانشمندان این امکان را می دهد که چند مرتبه مقادیر کوچکتر از آن چیزی باشد که با روش های تجربی امکان پذیراست، درست به سمت عصب گیری سلول های عصبی منفرد با وضوح اجزای سلولی. با جلو رفتن پروژه، امکان شبیه سازی فعالیت الکتریکی نورونهای منفرد کل مناطق یا کل نئوکورتکس را فراهم میکند.

“این مقاله به کار قبلی Blue Brain در ارزیابی محدودیتهای مورفولوژیکی اتصال،” تنوع مورفولوژیکی به شدت میتواند اتصال سیناپسی و انعطاف پذیری را محدود کند “، (Cerebral Cortex ،۲۰۱۷) و پروفسور هنری مارکرام بنیانگذار مدیر Blue Brain توضیح میدهد:

 بازسازی و شبیه سازی ریزمدارهای نئوکورتکس “(cell 2015).”

این یافته ها ما را قادر میسازد آزمایش های شبیه سازی خود را به صورت نمایی افزایش نرخ دهیم به این معنی که اکنون میتوانیم مدلهای مغزی دقیق و بیولوژیکی از مناطق بزرگ و بزرگتر و با وضوح بالا و بالاتر مغز بسازیم از این طریق پروژه را برای شبیه سازی بهتر پیش ببریم.

ترجمه: رویا ورمزیار -وبسایت نوروسافاری

لینک خبر: how neurons in the mouse neocortex form billions of synaptic connections

بیشتر بدانید:  اعطای ارزشمندترین جایزه علوم اعصاب به مخترعان "میکروسکوپ دو فوتونی"

لینک مقاله: A null model of the mouse whole-neocortex micro-connectome

 

همچنین ببینید

دوره آموزشی مبانی علوم اعصاب شناختی (دوره هفتم)

5 / 5 ( 1 امتیاز ) نوروسافاری | موسسه دانش بنیان آینده مغز (نوروسافاری) بر …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *