Pochopení toho, jak lidský mozek koordinuje senzorické informace a pohyb, představuje jednu z největších výzev neurověd. Mozková kůra, která je zodpovědná za funkce jako je uvažování, rozhodování a kontrola dobrovolných pohybů, byla předmětem mnoha studií, které se snaží rozluštit vzory neuronové aktivity, jež tyto schopnosti umožňují.
Model, který zpochybňuje převládající teorii
Nová studie publikovaná v časopise Nature Neuroscience týmem výzkumníků z Institutu neurověd Paris-Saclay (NeuroPSI) navrhuje alternativní vysvětlení organizace mozkové kůry.
Tento výzkum zpochybňuje tradiční názor, jak se generují opakující se vzory neuronové aktivity. Místo toho, aby se kladl důraz na silně propojené skupiny neuronů, naznačuje, že klíčem je architektura založená na modulech a centrálních neuronech, které řídí tok informací.
Podle Nature Neuroscience hlavní zjištění ukazuje, že opakující se vzory aktivity v mozkové kůře nejsou závislé na přítomnosti skupin vzájemně propojených neuronů, které fungují jako jednotky pro „doplňování vzorů“.
Naopak, výzkumníci Domenico Guarino, Anton Flipchuk a Alain Destexhe zjistili, že kůra je organizována do modulů připojených k centrálním neuronům, které fungují jako uzly s vysokým tokem informací. Autoři tvrdí, že „tyto reprodukovatelné vzory zahrnují neurony, které nejsou silně propojené“, což představuje změnu paradigmat během tradičního chápání.
Teorie atraktorů a klasické vysvětlení
Po desetiletí byla převládající teorií pro opakující se vzory neuronové aktivity teorie „atraktorů“. Tento model, inspirovaný fyzikou, tvrdil, že určité skupiny neuronů, které jsou navzájem silně propojeny, mohou aktivovat celé vzory aktivity, i když se aktivuje pouze část skupiny.
Dynamika atraktorů tak vysvětlovala tendenci mozku vracet se do stabilních a opakujících se stavů činnosti, které jsou považovány za klíčové pro senzoromotorickou koordinaci.
Nový model, který představil tým NeuroPSI, předložený v Nature Neuroscience, zavádí myšlenku, že mozková kůra se skládá z hierarchických modulů, z nichž každý je připojen k centrálním neuronům, jež fungují jako centrum pro distribuci informací.
Titánové neurony jsou umístěny na rozhraních mezi moduly a řídí aktivity, aniž by projevovaly strukturu charakteristickou pro jednotky doplňování vzorů popsané v teorii atraktorů. Autoři vysvětlují, že „cortikální sítě vykazují hierarchickou modularitu, přičemž centrální neurony fungují jako uzly s vysokým tokem informací na rozhraních modulů“.
Metodologie a analýza dat
Aby dospěli k těmto závěrům, výzkumníci analyzovali různé veřejné databáze o mozkové aktivitě, využívající pokročilé zobrazovací techniky, mikroskopii a záznam elektrické aktivity.
Mezi použitými datovými soubory byly projekty MICrONS, Allen Brain Observatory a laboratoře Goard, Svoboda a CortexLab. Analýza zahrnovala použití dvoufotonového zobrazování, elektrofyziologie a elektronové mikroskopie, což umožnilo mapovat vzory aktivity a neuronové propojení s velkou přesností.
Výsledky ukázaly, že modularita a provinčně závislá konektivita lépe vysvětlují vznik opakujících se vzorů než přítomnost silně propojených skupin neuronů. Tým také použil výpočetní modely k simulaci neuronových sítí a prozkoumání původu pozorovaných vzorů. Experimenty prokázaly, že provinčně závislá konektivita je dostatečná k vytvoření modularity a reprodukovatelných přechodných událostí v kůře.
Podle autorů „nálezy naznačují, že cortikální sítě jsou předkonfigurovány pro podporu senzoromotorické koordinace“.
Dopad a implikace zjištění
Dopady tohoto výzkumu, podle Nature Neuroscience, jsou rozsáhlé. Pokud bude tento nový model validován, může transformovat chápání mechanismů, které leží v základu senzoromotorické koordinace a otevřít nové cesty pro studium neurologických poruch, které jsou charakterizovány poruchami v těchto procesech.
Kromě toho by tento model mohl inspirovat vývoj umělých neuronových sítí a počítačových modelů, které jsou věrnější mozkové organizaci.
Mezi další kroky autoři naznačují, že budoucí výzkumy a experimenty mohou potvrdit platnost tohoto modelu, což by umožnilo prohloubit znalosti o tom, jak mozek koordinuje senzorické informace a pohyb.
Tento pokrok, publikovaný v Nature Neuroscience, nabízí nový pohled na strukturu a dynamiku kortikální aktivity, podtrhujíc důležitost modularity a funkce centrálních neuronů v mozkové organizaci.
