Descubierta la regla matemática detrás de la distribución de las neuronas en nuestro cerebro

Investigadores del Human Brain Project del Forschungszentrum Jülich y la Universidad de Colonia (Alemania) han descubierto cómo se distribuyen las densidades neuronales a lo largo y dentro de las regiones corticales del cerebro de los mamíferos. Revelaron un principio organizador fundamental de la citoarquitectura cortical: la ubicua distribución lognormal de las densidades neuronales.

El número de neuronas y su disposición espacial desempeñan un papel fundamental en la configuración de la estructura y función del cerebro. Sin embargo, a pesar de la gran cantidad de datos de citoarquitectura disponibles, las distribuciones estadísticas de las densidades neuronales siguen sin caracterizarse en gran medida. El nuevo estudio del Human Brain Project (HBP), publicado en la revista corteza cerebralmejora nuestra comprensión de la organización del cerebro de los mamíferos.

Análisis de conjuntos de datos y distribución lognormal.

Nueve de los siete conjuntos de datos disponibles públicamente clasificar (ratón, mono, macaco, gálago, mono búho, babuino y humano) constituyeron la base para las investigaciones del equipo de investigación. Después de analizar las regiones corticales de cada una, descubrieron que las densidades neuronales dentro de estas regiones seguían un patrón consistente: una distribución lognormal. Esto apunta a un principio organizador fundamental que subyace a las densidades neuronales en el cerebro de los mamíferos.

Una distribución lognormal es una distribución estadística caracterizada por una curva sesgada en forma de campana. Surge, por ejemplo, al tomar el exponente de una variable distribuida normalmente. Se diferencia de una distribución normal en varios aspectos. Más importante aún, la curva de distribución normal es simétrica, mientras que la curva lognormal es asimétrica y tiene una cola pesada.

Las implicaciones y la importancia de los resultados.

Estos conocimientos son fundamentales para un modelado cerebral preciso. “En particular, porque la distribución de las densidades neuronales influye en la conectividad de la red”, afirma Sascha van Alpada, líder del grupo de neuroanatomía teórica en el Forschungszentrum Jülich y autor principal del artículo. “Por ejemplo, si la densidad de las sinapsis es constante, las regiones con menor densidad neuronal recibirán más sinapsis por neurona”, explica. Estos aspectos también son relevantes para el diseño de tecnologías inspiradas en el cerebro, como los neuromoduladores.

“Además, dado que las regiones corticales a menudo se distinguen según la citoarquitectura, el conocimiento de la distribución de las densidades neuronales puede ser relevante para la evaluación estadística de las diferencias entre regiones y la ubicación de los límites entre regiones”, añade Van Alpada.

Comprender la distribución lognormal de las propiedades del cerebro.

Los resultados son consistentes con observaciones previas de que muchas propiedades del cerebro siguen una distribución racional normal. “Una de las razones por las que son tan comunes en la naturaleza es que aparecen cuando se tiene en cuenta el producto de muchas variables independientes”, afirma Alexander van Meijn, coprimer autor del estudio. En otras palabras, una distribución lognormal surge naturalmente como resultado de operaciones de multiplicación, similar a cómo aparece una distribución normal cuando se suman muchas variables independientes.

“Utilizando un modelo simple, pudimos mostrar cómo la duplicación de las neuronas durante el desarrollo podría conducir a las distribuciones de densidad neuronal observadas”, explica van Meijn.

Según el estudio, en principio, las estructuras organizativas a nivel de la corteza cerebral pueden ser subproductos del desarrollo o desarrollo y no cumplen ninguna función computacional; Pero el hecho de que puedan observarse las mismas estructuras organizativas en muchas especies y en la mayoría de las regiones corticales sugiere que la distribución logarítmica normal tiene un propósito.

“No podemos estar seguros de cómo la distribución logarítmica normal de las densidades neuronales afecta la función cerebral, pero probablemente esté relacionada con la alta heterogeneidad de la red, lo que podría ser computacionalmente ventajoso”, dice Aitor Morales Gregorio, primer autor del estudio, citando trabajos anteriores. . lo que sugiere que la heterogeneidad en la conectividad cerebral puede promover una transmisión eficiente de información. Además, las redes heterogéneas respaldan un aprendizaje sólido y mejoran la capacidad de memoria de los circuitos neuronales.

Referencia: “Distribución log-normal ubiquitinada de la densidad neuronal en la corteza cerebral de los mamíferos” por Aitor Morales-Gregorio, Alexander van Meijen y Sacha G van Albada, 6 de julio de 2023, disponible aquí. corteza cerebral.
doi: 10.1093/sircor/bhad160