Enkla neurala kretsar bestående av två interagerande populationer av neuroner uppvisar en anmärkningsvärd förmåga att rymma flera olinjära resonanser organiserade i fantastiskt varierande och spännande diagram. Figuren visar låsdiagrammen för sex olika kretsar som är inställda för att visa denna egenskap. När den drivs av periodisk input, kretsarna kan vara med i de olika subharmoniska regimer som indikeras av olika färger. I dessa kretsar, små moduleringar av den periodiska ingången kan resultera i kvalitativt olika stabila rytmer. Detta ger en strategi för att erhålla en mångfald vågformer med flera tidsskalor ur den olinjära interaktionen mellan neurala populationer och deras inneboende dynamik. Upphovsman:Leandro Alonso
Forskare som studerar hjärnan har länge varit intresserade av dess neurala svängningar, den rytmiska elektriska aktiviteten som spelar en viktig roll vid överföring av information inom hjärnans neurala kretsar. Hos råttor, svängningar i hippocampusregionen i hjärnan har visat sig koda information som beskriver djurets position i ett fysiskt utrymme. I människor, neurala svängningar studeras ofta i samband med epilepsi och olika sömnstörningar även om frågor kvarstår om deras exakta funktion.
För beräkningsneurovetare, som studerar hur olika strukturer i hjärnan behandlar information, en intressant aspekt av denna aktivitet är den neurala vävnadens förmåga att reagera på yttre stimuli med olika typer av oscillationer.
"Dessa olika svar ligger till grund för flera viktiga frågor inom neurovetenskap, "förklarade Leandro Alonso, en beräknad neurovetenskapare och tidigare postdoktor vid Rockefeller University i New York City. "Hur gör samma neurala vävnad olika saker vid olika tidpunkter? Hur förändras informationen genom sambandet och den inre dynamiken i den neurala kretsen?"
Arbeta med Wilson-Cowan-modellen, en allmänt använd modell inom beräkningsneurovetenskap som beskriver den genomsnittliga aktiviteten hos populationer av sammankopplade neuroner, Alonso har utformat ett nytt matematiskt verktyg för att hjälpa andra neurovetenskapare att utforska det breda spektrum av svar som är möjliga från en enkel neuralkrets.
Alonso förklarar sina fynd den här veckan i tidningen Kaos .
"Det är användbart vid modellering av begrepp inom neurovetenskap att ha ett system som kommer att ge en mängd olika beteenden för små förändringar av en kontrollparameter, eftersom detta kan hjälpa till att ge lite insikter om hur samma neurala vävnad visar olika svar, "Alonso sa, vars forskning finansierades av en stipendium från Leon Levy Foundation.
Alonsos modell bygger sin grund på ett matematiskt koncept som kallas en "olinjär oscillator". När oscillatorer, mängder som är i ett tillstånd av repetitiva fluktuationer, är linjära, oscillatorn svarar på en extern ingång genom att spegla dess rytm eller frekvens. I kontrast, med olinjära oscillatorer, frekvensen för det oscillerande svaret varierar från ingångens frekvens. Skillnader kan ofta observeras också i form av svängningar av svaret.
Även om olinjär oscillation inte är specifik för neurovetenskap, Alonso blev positivt överraskad över hur väl den integrerades med Wilson-Cowan-modellen för att ge en inblick i hur neuroner kan kopplas ihop så att de ger ett varierat utbud av oscillationer när de stimuleras.
"När du observerar komplexiteten hos oscillerande fenomen i hjärnan, det verkar rimligt att anta att det kan förklaras av ett lika komplext system som ligger till grund för dessa svängningar, "Sade Alonso." Oavsett om så är fallet eller inte, det är intressant att en enkel krets med bara två populationer av sammankopplade neuroner kan producera en liknande mångfaldig aktivitetsrepertoar. "
I hans artikel, Alonso innehåller en serie färgglada "låsdiagram" som visuellt representerar de olika svar som är möjliga som parametrar för den yttre stimulansen, såsom frekvens och amplitud, ändras subtilt.
"De olika färgerna visar hur svarets frekvens har förändrats, "Förklarade Alonso.
Alonso, som först började studera de olinjära oscillationerna av neuroner under utbildning vid Dynamical Systems Laboratory vid University of Buenos Aires, tror att hans modell kan hjälpa andra beräkningsneurovetenskapare som arbetar med sina egna modeller.
"Jag hoppas att proceduren kommer att vara till hjälp för att härleda parametrarna för neurala kretsar, till exempel deras anslutningar, så att en inkommande oscillation kommer att utlösa flera olika typer av svar, "sa Alonso." Det är också möjligt att den bredare diskussionen om olinjära svängningar kan vara till hjälp för forskare som undersöker andra biologiska system som uppvisar jämförbara dynamiska svar. "
Alonsos nästa forskningsprojekt blir att undersöka egenskaperna hos system som har flera neurala kretsar med dessa egenskaper sammankopplade.
