Modellering af hjernens rytmiske elektriske aktiviteter

Forskere, der studerer hjernen, har længe været interesseret i dens neurale oscillationer, den rytmiske elektriske aktivitet, der spiller en vigtig rolle i transmissionen af ​​information i hjernens neurale kredsløb. Hos rotter, svingninger i hippocampus-regionen af ​​hjernen har vist sig at kode for information, der beskriver dyrets position i et fysisk rum. Hos mennesker, neurale oscillationer studeres ofte i relation til epilepsi og forskellige søvnforstyrrelser, selvom der stadig er spørgsmål om deres præcise funktion.

For beregningsmæssige neurovidenskabsfolk, der studerer, hvordan forskellige strukturer i hjernen behandler information, en interessant facet af denne aktivitet er neuralt vævs evne til at reagere på ydre stimuli med forskellige typer svingninger.

"Disse mangfoldige svar ligger til grund for flere vigtige spørgsmål inden for neurovidenskab, "forklarede Leandro Alonso, en computational neuroscientist og tidligere postdoc ved Rockefeller University i New York City. "Hvordan gør det samme neurale væv forskellige ting på forskellige tidspunkter? Hvordan ændres information af forbindelserne og den iboende dynamik i det neurale kredsløb?"

Arbejde med Wilson-Cowan-modellen, en meget udbredt model inden for beregningsneurovidenskab, der beskriver den gennemsnitlige aktivitet af populationer af sammenkoblede neuroner, Alonso har designet et nyt matematisk værktøj til at hjælpe andre neurovidenskabsfolk med at udforske det brede spektrum af svar, der er mulige fra et simpelt neuralt kredsløb.

Alonso forklarer sine resultater i denne uge i journalen Kaos .

"Det er nyttigt i modelleringskoncepter inden for neurovidenskab at have et system, der vil give en bred vifte af adfærd ved små ændringer af en kontrolparameter, da dette kan hjælpe med at give nogle indsigter om, hvordan det samme neurale væv viser forskellige reaktioner, "Sagde Alonso, hvis forskning blev finansieret af et stipendium fra Leon Levy Foundation.

Alonsos model bygger sit fundament på et matematisk begreb kaldet en "ikke -lineær oscillator." Når oscillatorer, mængder, der er i en tilstand af gentagne udsving, er lineære, oscillatoren reagerer på en ekstern indgang ved at spejle dens rytme eller frekvens. I modsætning, med ikke -lineære oscillatorer, frekvensen af ​​den oscillerende respons varierer fra frekvensen af ​​input. Forskelle kan ofte også observeres i form af svarets svingninger.

Selvom ikke-lineær oscillation ikke er specifik for neurovidenskab, Alonso var glædeligt overrasket over, hvor godt den integrerede med Wilson-Cowan-modellen for at give en vis indsigt i, hvordan neuroner kan forbindes, så de giver en bred vifte af svingninger, når de stimuleres.

"Når du observerer kompleksiteten af ​​oscillerende fænomener i hjernen, det forekommer rimeligt at antage, at det kan forklares med et lige så komplekst system, der ligger til grund for disse svingninger, " sagde Alonso. "Uanset om dette er tilfældet eller ej, Det er interessant, at et simpelt kredsløb med kun to populationer af indbyrdes forbundne neuroner kan producere et tilsvarende forskelligartet aktivitetsrepertoire."

I hans artikel, Alonso indeholder en række farverige "låsediagrammer", der visuelt repræsenterer de mange forskellige svar, der er mulige som parametrene for den eksterne stimulus, såsom frekvens og amplitude, er subtilt ændret.

"De forskellige farver viser, hvordan frekvensen af ​​svaret har ændret sig, "Forklarede Alonso.

Alonso, der først begyndte at studere de ikke -lineære svingninger af neuroner under uddannelse på Dynamical Systems Laboratory ved University of Buenos Aires, mener, at hans model kan hjælpe andre beregningsmæssige neurovidenskabsfolk, der arbejder på deres egne modeller.

"Jeg håber, at proceduren vil være nyttig til at udlede parametrene for neurale kredsløb, såsom deres forbindelser, så en indkommende oscillation vil udløse flere forskellige typer svar, "sagde Alonso." Det er også muligt, at den bredere diskussion af ikke -lineære svingninger kan være nyttig for forskere, der undersøger andre biologiske systemer, der udviser sammenlignelige dynamiske reaktioner. "

Alonsos næste forskningsprojekt vil være at undersøge egenskaberne ved systemer, der har flere neurale kredsløb med disse egenskaber forbundet sammen.