Een Baanbrekende Samenwerking in Neurowetenschappen
In een baanbrekende studie hebben fysici en neurowetenschappers van de Universiteit van Chicago, Harvard en Yale significante vooruitgang geboekt in het begrijpen van neuronale connectiviteit. Hun onderzoek, gepubliceerd in Nature Physics op 17 januari 2024, gaat verder dan de biologische kenmerken van individuele organismen en richt zich in plaats daarvan op de algemene principes van netwerkvorming en zelforganisatie die bepalen hoe neuronen met elkaar verbinden.
Een Nieuw Perspectief op Neuronale Netwerken
Het team, geleid door Stephanie Palmer, PhD, universitair hoofddocent Fysica en Organismale Biologie en Anatomie aan UChicago, benaderde deze complexe kwestie met een mix van fysica en biologie. Tegen de verwachting in dat eenvoudige modellen slechts een ruwe benadering zouden bieden, leidden hun bevindingen tot diepgaande inzichten in neuronale connectiviteit, toepasbaar op een verscheidenheid van modelorganismen en mogelijk ook op niet-biologische netwerken, zoals sociale interacties.
Het Belang van ‘Zwaar-Gestaarte’ Connecties
Neuronen communiceren via een ingewikkeld web van synapsen, waar de sterkte van verbindingen varieert. Een sleutelbevinding van de studie is de identificatie van een “zwaar-gestaarte” distributie in deze verbindingen. Dit patroon, gekenmerkt door een paar verbindingen die aanzienlijk sterker zijn dan de meeste, vormt de basis van hersencircuits die denken, leren, communiceren en bewegen mogelijk maken. Deze ontdekking daagt de eerder gehouden overtuiging uit dat dergelijke patronen organismespecifiek waren, en stelt in plaats daarvan voor dat ze voortkomen uit fundamentele netwerkprincipes.
Deel 2: Voorbij Biologie: Begrip van Netwerking in Neuronen
Het Ontcijferen van het Connectoom door middel van Hebbiaanse Dynamica
Om te onderzoeken hoe neuronen verbindingen vormen, bestudeerde het team, inclusief Christopher Lynn, PhD, universitair docent Fysica aan de Yale University, en Caroline Holmes, PhD, een postdoctoraal onderzoeker aan de Harvard University, connectomen van verschillende laboratoriumdieren. Ze gebruikten een model gebaseerd op Hebbiaanse dynamica, een concept dat stelt dat neuronen hun verbindingen versterken door gelijktijdige activatie. Dit model heeft met succes de waargenomen “zwaar-gestaarte” verbindingssterktes in verschillende soorten gerepliceerd.
Clusterformatie: Een Universeel Netwerkfenomeen
Een intrigerend aspect van hun bevindingen is de verklaring van clustering in neurale netwerken, vergelijkbaar met sociale netwerksituaties waarin wederzijdse bekenden leiden tot nieuwe verbindingen. Dit fenomeen, waargenomen in verschillende organismen, onderstreept de universele principes van neurale netwerking.
Balans tussen Orde en Willekeur in Hersencircuits
Ondanks deze patronen, erkennen de onderzoekers de inherente willekeur in biologische systemen. Neuronen verbreken soms verbindingen en vormen nieuwe, een proces dat essentieel is om te voorkomen dat overmatig dominante verbindingen ontstaan. Het opnemen van willekeur in hun model was cruciaal voor de nauwkeurigheid ervan, waardoor de deterministische Hebbiaanse dynamiek werd afgewogen tegen de onvoorspelbaarheid kenmerkend voor echte hersenen.
Implicaties en Toekomstige Richtingen
Dit onderzoek werpt niet alleen licht op de fundamentele principes van hersenorganisatie, maar opent ook de deur naar het verkennen van andere soorten netwerken. De interdisciplinaire aanpak, waarbij fysica, big-data-analyse en neurowetenschappen worden gecombineerd, baant de weg voor toekomstige studies die deze principes mogelijk kunnen uitbreiden voorbij het domein van de hersenen.