Kritičnost možganov

V tokratnem Znanstvenem britoffu poročamo o študiji ameriške raziskovalne skupine, objavljeni v reviji Physical Review Letters, v kateri je predlagala rešitev neskladja dosedanjih rezultatov, ki bi lahko pojasnila dinamiko širjenja signalov po nevronski mreži možganov.

Različne fizikalne sisteme lahko opišemo z istim matematičnim modelom. Verjetnost za plazove v kupu peska, denimo, opišemo s potenčno odvisnostjo, sorazmerno z velikostjo plazu, stopnji potence pa pravimo kritični eksponent. Sistemi z enakim kritičnim eksponentom spadajo v isti univerzalnostni razred.

Dosedanji modeli dinamike mrež živčnih celic še niso povsem poenoteni. Nekatere raziskave so pokazale, da spadajo v isti univerzalnostni razred kot snežni plazovi, širjenje razpok po skali in prehajanje tekočin skozi porozne snovi. Vsaka aktivna točka v takem sistemu lahko direktno vpliva le na svojo neposredno sosesko. Na podoben način si lahko predstavljamo potovanje signalov po možganih, vendar pa nekatere raziskave takega obnašanja nevronske aktivnosti niso pokazale.

Znanstvenice in znanstveniki so v študiji dinamiko potovanja signalov na nevronski mreži raziskali tako z računalniškimi simulacijami kot tudi s poskusi na skupini podgan in miši. Pri opazovanju aktivnosti možganske skorje so zabeležili različne kritične eksponente pri različnih živalih, vendar so prav tako opazili, da se vrednosti eksponentov spreminjajo s časom. Prišli so do paradoksa: nevronska aktivnost po eni strani kaže lastnosti kritičnega sistema, vendar kritični eksponenti ne podpirajo le enega univerzalnostnega razreda.

Avtorji ugotavljajo, da spontane vzbuditve nevronov na mreži povzročajo več istočasnih plazov, kar je tudi razlog za odstopanje od kritičnih eksponentov predvidenega univerzalnostnega razreda. Zato uvajajo koncept kvazikritičnosti, ki pravi, da čeprav sistem ne bo dosegel kritičnih vrednosti eksponentov, se jim bo približal ob odsotnosti zunanjih signalov, ko bodo nevroni najbolj občutljivi na dražljaje. Z opazovanjem mreže v bližini tega stanja je raziskovalna skupina uspešno napovedala obnašanje in zvezo med potenčno odvisnostjo dolžine plazu signalov in verjetnostjo za spontano aktivacijo novega plazu.

Z nadaljnjimi eksperimenti in spreminjanjem zunanjih dražljajev bi lahko nov model podkrepili ali ovrgli, v vsakem primeru pa smo s takimi raziskavami bližje razumevanju osrednjega principa delovanja biološke nevronske mreže.

Znanstveni britoff je pripravila Tina.

Vir: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.098101