Istraživači Human Brain Project (HBP) iz Forschungszentrum Julich i Univerziteta u Kelnu (Nemačka) otkrili su kako se gustina neurona distribuira preko i unutar kortikalnih oblasti u mozgu sisara. Oni su otkrili osnovni organizacioni princip kortikalne citoarhitekture: sveprisutnu lognormalnu raspodelu gustine neurona.
Broj neurona i njihov prostorni raspored igraju ključnu ulogu u oblikovanju strukture i funkcije mozga. Ipak, uprkos bogatstvu dostupnih citoarhitektonskih podataka, statističke raspodele gustine neurona ostaju uglavnom neopisane. Nova HBP studija, objavljena u Cerebral Cortek-u, unapređuje naše razumevanje organizacije mozga sisara.
Tim je svoje istraživanje zasnovao na devet javno dostupnih skupova podataka od sedam vrsta: miš, marmozet, makak, galago, sova majmun, pavijan i čovek. Nakon analize kortikalnih oblasti svake od njih, otkrili su da gustine neurona unutar ovih oblasti prate konzistentan obrazac – lognormalnu distribuciju. Ovo sugeriše osnovni organizacioni princip koji leži u osnovi gustine neurona u mozgu sisara.
Lognormalna raspodela je statistička raspodela koju karakteriše nagnuta kriva u obliku zvona. Nastaje, na primer, kada se uzme eksponencijal normalno raspoređene promenljive. Ona se razlikuje od normalne distribucije na nekoliko načina. Što je najvažnije, kriva normalne distribucije je simetrična, dok je loganormalna asimetrična sa teškim repom.
Ovi nalazi su relevantni za precizno modeliranje mozga. „Ne samo zato što distribucija gustine neurona utiče na mrežnu povezanost“, kaže Sacha van Albada, vođa grupe za teorijsku neuroanatomiju u Forschungszentrum Julich i stariji autor rada. „Na primer, ako je gustina sinapsi konstantna, regioni sa nižom gustinom neurona će dobiti više sinapsi po neuronu“, objašnjava ona. Takvi aspekti su takođe relevantni za dizajn tehnologije inspirisane mozgom, kao što je neuromorfni hardver.
„Dalje, pošto se kortikalne oblasti često razlikuju na osnovu citoarhitekture, poznavanje distribucije gustine neurona može biti relevantno za statističku procenu razlika između oblasti i lokacija granica između oblasti“, dodaje van Albada.
Ovi rezultati su u saglasnosti sa zapažanjem da iznenađujuće mnoge karakteristike mozga prate lognormalnu distribuciju. „Jedan od razloga zašto može biti veoma čest u prirodi je taj što se pojavljuje kada se uzme proizvod mnogih nezavisnih varijabli“, kaže Alekander van Meegen, zajednički prvi autor studije. Drugim rečima, lognormalna distribucija nastaje prirodno kao rezultat multiplikativnih procesa, slično onome kako nastaje normalna distribucija kada se sabere mnogo nezavisnih promenljivih.
„Koristeći jednostavan model, uspeli smo da pokažemo kako multiplikativna proliferacija neurona tokom razvoja može dovesti do posmatrane raspodele gustine neurona“, objašnjava van Meegen.
Prema studiji, u principu, organizacione strukture na nivou korteksa mogu biti nusproizvodi razvoja ili evolucije koji ne služe nikakvoj računskoj funkciji; ali činjenica da se iste organizacione strukture mogu posmatrati za nekoliko vrsta i u većini kortikalnih oblasti sugeriše da lognormalna distribucija služi nekoj svrsi.
„Ne možemo biti sigurni kako će lognormalna distribucija gustine neurona uticati na funkciju mozga, ali će verovatno biti povezana sa visokom heterogenošću mreže, što može biti kompjuterski korisno“, kaže Aitor Morales-Gregorio, prvi autor studije, citirajući prethodne radove koji sugerišu da heterogenost u povezivanju mozga može podstaći efikasan prenos informacija. Pored toga, heterogene mreže podržavaju robusno učenje i poboljšavaju memorijski kapacitet neuronskih kola.
