Beynimizdeki nöronların dağılımının ardındaki matematiksel kural keşfedildi

Forschungszentrum Jülich ve Köln Üniversitesi’nden (Almanya) İnsan Beyni Projesi araştırmacıları, memeli beynindeki kortikal bölgeler arasında ve içinde nöron yoğunluklarının nasıl dağıldığını keşfettiler. Kortikal hücre mimarisinin temel bir düzenleyici ilkesini ortaya çıkardılar: nöron yoğunluklarının her yerde bulunan lognormal dağılımı.

Nöron sayıları ve bunların mekansal düzenlemeleri, beyin yapısını ve fonksiyonunu şekillendirmede kritik bir rol oynar. Bununla birlikte, mevcut hücre mimarisi verilerinin zenginliğine rağmen, nöron yoğunluklarının istatistiksel dağılımları büyük ölçüde karakterize edilmemiştir. İnsan Beyni Projesi’nin (HBP) yeni çalışması dergide yayınlandı beyin zarımemeli beyinlerinin organizasyonuna ilişkin anlayışımızı geliştirir.

Veri setlerinin analizi ve lognormal dağılım

Halka açık yedi veri kümesinden dokuzu sınıflandırmak (fare, maymun, makak, galago, baykuş maymunu, babun ve insan) araştırma ekibinin araştırmalarının temelini oluşturdu. Her birinin kortikal bölgelerini analiz ettikten sonra, bu bölgelerdeki nöron yoğunluklarının tutarlı bir model (lognormal dağılım) izlediğini buldular. Bu, memeli beynindeki nöron yoğunluklarının altında yatan temel bir düzenleme ilkesine işaret ediyor.

Lognormal dağılım, çarpık, çan şeklinde bir eğri ile karakterize edilen istatistiksel bir dağılımdır. Örneğin normal dağılım gösteren bir değişkenin üssü alınırken ortaya çıkar. Normal dağılımdan çeşitli yönlerden farklılık gösterir. Daha da önemlisi, normal dağılım eğrisi simetriktir, lognormal eğri ise asimetriktir ve ağır bir kuyruğa sahiptir.

Sonuçların anlamı ve önemi

Bu içgörüler doğru beyin modellemenin merkezinde yer alıyor. Forschungszentrum Jülich Teorik Nöroanatomi Grup Lideri ve makalenin kıdemli yazarı Sascha van Alpada, “En azından nöron yoğunluklarının dağılımı ağ bağlantısını etkilediği için” diyor. “Örneğin, eğer sinapsların yoğunluğu sabitse, o zaman daha düşük nöron yoğunluğuna sahip bölgeler, nöron başına daha fazla sinaps alacaktır” diye açıklıyor. Bu yönler aynı zamanda nöromodülatörler gibi beyinden ilham alan teknolojilerin tasarımıyla da ilgilidir.

Van Alpada, “Ayrıca, kortikal bölgeler sıklıkla hücre mimarisi temelinde ayırt edildiğinden, nöronal yoğunlukların dağılımına ilişkin bilgi, bölgeler arasındaki farklılıkların ve bölgeler arasındaki sınırların konumlarının istatistiksel değerlendirmesiyle ilgili olabilir” diye ekliyor.

Beyin özelliklerinde lognormal dağılımı anlama

Sonuçlar, birçok beyin özelliğinin normal bir rasyonel dağılım izlediğini gösteren önceki gözlemlerle tutarlıdır. Araştırmanın ilk yazarlarından Alexander van Meijn, “Doğada bu kadar yaygın olmalarının nedenlerinden biri, birçok bağımsız değişkenin çarpımı dikkate alındığında ortaya çıkmalarıdır” diyor. Başka bir deyişle, birçok bağımsız değişken toplandığında normal bir dağılım ortaya çıktığı gibi, çarpma işlemlerinin bir sonucu olarak doğal olarak bir lognormal dağılım ortaya çıkar.

Van Meijn, “Basit bir model kullanarak, gelişim sırasında nöronların ikiye katlanmasının gözlemlenen nöron yoğunluğu dağılımlarına nasıl yol açabileceğini gösterebildik” diye açıklıyor.

Araştırmaya göre, prensip olarak serebral korteks seviyesindeki organizasyonel yapılar, gelişimin veya gelişimin yan ürünleri olabilir ve herhangi bir hesaplama işlevine hizmet etmez; Ancak aynı organizasyon yapılarının birçok tür için ve çoğu kortikal bölge için gözlemlenebilmesi, log-normal dağılımın bir amaca hizmet ettiğini düşündürmektedir.

Çalışmanın ilk yazarı Aitor Morales Gregorio, daha önceki çalışmalara atıfta bulunarak, “Nöron yoğunluklarının log-normal dağılımının beyin fonksiyonunu nasıl etkilediğinden emin olamayız, ancak bu muhtemelen hesaplama açısından avantajlı olabilecek yüksek ağ heterojenliği ile ilgilidir” diyor. . bu da beyin bağlantısındaki heterojenliğin verimli bilgi aktarımını destekleyebileceğini öne sürüyor. Ek olarak, heterojen ağlar sağlam öğrenmeyi destekler ve sinir devrelerinin hafıza kapasitesini artırır.

Referans: Aitor Morales-Gregorio, Alexander van Meijen ve Sacha G van Albada, “Memeli beyin korteksindeki nöron yoğunluğunun her yerde bulunan log-normal dağılımı”, 6 Temmuz 2023, Buradan ulaşabilirsiniz. beyin zarı.
doi: 10.1093/sircor/bhad160