Νέα μαθηματική μέθοδος αποκαλύπτει δομή στην νευρωνική δραστηριότητα στον εγκέφαλο

Μια μαθηματική μέθοδος που αναπτύχθηκε πρόσφατα, μπορεί να ανιχνεύσει γεωμετρική δομή στην νευρωνική δραστηριότητα στον εγκέφαλο. «Προηγουμένως, προκειμένου να κατανοήσουν αυτή τη δομή, οι επιστήμονες χρειάστηκε να συσχετίσουν τη νευρωνική δραστηριότητα με κάποια συγκεκριμένα εξωτερικά ερεθίσματα», δήλωσε ο Vladimir Itskov, αναπληρωτής καθηγητής των μαθηματικών στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Pennsylvania (Penn State). «Η μέθοδός μας είναι η πρώτη που είναι σε θέση να αποκαλύψει αυτή τη δομή, χωρίς να γνωρίζουμε προηγουμένως την ύπαρξη ενός εξωτερικού ερεθίσματος. Έχουμε δείξει ότι η νέα μας μέθοδος θα μας επιτρέψει να εξερευνήσουμε την οργανωτική δομή των νευρώνων, χωρίς να γνωρίζουμε εκ των προτέρων τη λειτουργία τους».

«Οι παραδοσιακές μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν από τους ερευνητές για να αναλύσουν τη σχέση μεταξύ των δραστηριοτήτων των νευρώνων, υιοθετήθηκαν από τη φυσική», είπε η Carina Curto, αναπληρώτρια καθηγήτρια μαθηματικών στο Penn State, «αλλά τα δεδομένα της νευροεπιστήμης δεν διέπονται απαραιτήτως από τους ίδιους κανόνες με τα δεδομένα από τη φυσική, έτσι χρειαζόμαστε νέα εργαλεία. Η μέθοδός μας είναι ένα πρώτο βήμα προς την ανάπτυξη μιας νέας μαθηματικής εργαλειοθήκης για να αποκαλύψει τη δομή νευρωνικών κυκλωμάτων με άγνωστη λειτουργία στον εγκέφαλο».

Για την έννοια “κλίκα” και την τοπολογία της.

Η μέθοδος – η τοπολογία κλίκας(1) – αναπτύχθηκε από μια διεπιστημονική ομάδα ερευνητών από το Penn State, το Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes, και το Πανεπιστήμιο της Nebraska – Lincoln. Η μέθοδος περιγράφεται σε μελέτη που αναρτήθηκε στην ηλεκτρονική έκδοση του περιοδικού Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Έχουμε υιοθετήσει προσεγγίσεις από το πεδίο της Αλγεβρικής Τοπολογίας, που στο παρελθόν χρησιμοποιήθηκαν κατά κύριο λόγο στον τομέα των καθαρών μαθηματικών και τις εφαρμόσαμε σε πειραματικά δεδομένα σχετικά με τη δραστηριότητα τοπικών κυττάρων, εξειδικευμένων νευρώνων στο τμήμα του εγκεφάλου που ονομάζεται ιππόκαμπος, που αισθητοποιεί τη θέση ενός ζώου στο περιβάλλον του», είπε η Curto.

Οι ερευνητές μέτρησαν τη δραστηριότητα των τοπικών κυττάρων στους εγκεφάλους αρουραίων κατά τη διάρκεια τριών διαφορετικών πειραματικών καταστάσεων. Στη συνέχεια ανέλυσαν τους κατά ζεύγη συσχετισμούς αυτής της δραστηριότητας – πώς η πυροδότηση κάθε νευρώνα συσχετίστηκε με την πυροδότηση κάθε άλλου νευρώνα.

Στην πρώτη κατάσταση, οι αρουραίοι αφέθηκαν να περιφέρονται ελεύθερα στο περιβάλλον τους – μια συμπεριφορά κατά την οποία η δραστηριότητα των τοπικών κυττάρων σχετίζεται άμεσα με τη θέση του ζώου στο περιβάλλον του. Ερεύνησαν τα δεδομένα για να βρουν τις ομάδες νευρώνων, ή «κλίκες», στις οποίες η δραστηριότητα όλων των μελών της κλίκας συσχετίζονταν με τη δραστηριότητα του κάθε άλλου μέλους. Η ανάλυσή τους σε αυτές τις κλίκες, χρησιμοποιώντας μεθόδους από την Αλγεβρική Τοπολογία, αποκάλυψε μια οργανωμένη γεωμετρική δομή. Απροσδόκητα, οι ερευνητές βρήκαν παρόμοια δομή στις δραστηριότητες των τοπικών κυττάρων στις άλλες δύο καταστάσεις που έλεγξαν, το τρέξιμο στον τροχό και τον ύπνο, όπου δεν αναμένονταν τα τοπικά κύτταρα να έχουν γεωμετρική οργάνωση.

«Επειδή η δομή που ανιχνεύσαμε ήταν παρόμοια και στις τρεις πειραματικές καταστάσεις, θεωρούμε ότι έχουμε συλλάβει τη θεμελιώδη οργάνωση των τοπικών κυττάρων στον ιππόκαμπο», δήλωσε ο Itskov.

Πηγή: Pennsylvania State University

Περισσότερα στη δημοσίευση: Clique topology reveals intrinsic geometric structure in neural correlations, PNAS Online

Σημείωση (1): Ένα γράφημα ονομάζεται «κλίκα» (ή πλήρες γράφημα) αν κάθε ζευγάρι κορυφών του συνδέεται με μια γραμμή (ακμή). Με απλά λόγια, γράφημα είναι οτιδήποτε μπορεί να αναπαρασταθεί (σχεδιαστεί) με ένα σύνολο σημείων (κορυφές) και γραμμών (ακμές) μεταξύ των σημείων (από τις σημειώσεις της PhyLIA).