Aturan matematika di balik distribusi neuron di otak kita telah ditemukan

Peneliti Proyek Otak Manusia dari Forschungszentrum Jülich dan Universitas Cologne (Jerman) telah menemukan bagaimana kepadatan neuron didistribusikan ke seluruh dan di dalam wilayah kortikal di otak mamalia. Mereka mengungkapkan prinsip pengorganisasian mendasar dari arsitektur sitokortikal: distribusi kepadatan saraf lognormal yang ada di mana-mana.

Jumlah neuron dan susunan spasialnya memainkan peran penting dalam membentuk struktur dan fungsi otak. Namun, meskipun banyak data sitoarsitektur yang tersedia, distribusi statistik kepadatan neuron sebagian besar masih belum terkarakterisasi. Studi baru dari Human Brain Project (HBP), diterbitkan dalam jurnal korteks serebralmeningkatkan pemahaman kita tentang organisasi otak mamalia.

Analisis kumpulan data dan distribusi lognormal

Sembilan dari tujuh kumpulan data yang tersedia untuk umum menggolongkan (tikus, kera, kera, galago, kera burung hantu, babon, dan manusia) menjadi dasar penyelidikan tim peneliti. Setelah menganalisis wilayah kortikal masing-masing, mereka menemukan bahwa kepadatan neuron di wilayah ini mengikuti pola yang konsisten – distribusi lognormal. Hal ini menunjukkan prinsip pengorganisasian mendasar yang mendasari kepadatan saraf di otak mamalia.

Distribusi lognormal adalah distribusi statistik yang bercirikan kurva miring berbentuk lonceng. Hal ini muncul, misalnya, ketika mengambil eksponen dari variabel yang terdistribusi normal. Ini berbeda dari distribusi normal dalam beberapa hal. Lebih penting lagi, kurva distribusi normal bersifat simetris, sedangkan kurva lognormal bersifat asimetris dan memiliki ekor yang berat.

Implikasi dan pentingnya hasil

Wawasan ini penting untuk pemodelan otak yang akurat. “Salah satu penyebabnya adalah distribusi kepadatan saraf mempengaruhi konektivitas jaringan,” kata Sascha van Alpada, Group Leader of Theoretical Neuroanatomy di Forschungszentrum Jülich dan penulis senior makalah tersebut. “Misalnya, jika kepadatan sinapsis konstan, maka daerah dengan kepadatan neuron lebih rendah akan menerima lebih banyak sinapsis per neuron,” jelasnya. Aspek-aspek ini juga relevan dengan desain teknologi yang terinspirasi dari otak seperti neuromodulator.

“Selain itu, karena wilayah kortikal sering kali dibedakan berdasarkan sitoarsitektur, pengetahuan tentang distribusi kepadatan saraf dapat relevan dengan penilaian statistik perbedaan antar wilayah dan lokasi batas antar wilayah,” tambah Van Alpada.

Memahami distribusi lognormal pada sifat-sifat otak

Hasilnya konsisten dengan pengamatan sebelumnya bahwa banyak sifat otak mengikuti distribusi rasional normal. “Salah satu alasan mengapa hal tersebut begitu umum terjadi adalah karena hal tersebut muncul ketika produk dari banyak variabel independen diperhitungkan,” kata Alexander van Meijn, salah satu penulis pertama studi tersebut. Dengan kata lain, distribusi lognormal muncul secara alami sebagai hasil operasi perkalian, mirip dengan distribusi normal yang muncul ketika banyak variabel bebas ditambahkan.

“Dengan menggunakan model sederhana, kami dapat menunjukkan bagaimana penggandaan neuron selama perkembangan dapat mengarah pada distribusi kepadatan neuron yang diamati,” jelas van Meijn.

Menurut penelitian, pada prinsipnya, struktur organisasi di tingkat korteks serebral mungkin merupakan produk sampingan dari pengembangan atau pengembangan dan tidak menjalankan fungsi komputasi apa pun; Namun fakta bahwa struktur organisasi yang sama dapat diamati pada banyak spesies dan di sebagian besar wilayah kortikal menunjukkan bahwa distribusi log-normal mempunyai tujuan.

“Kami tidak dapat memastikan bagaimana distribusi lognormal kepadatan neuron mempengaruhi fungsi otak, namun kemungkinan besar ini terkait dengan heterogenitas jaringan yang tinggi, yang dapat menguntungkan secara komputasi,” kata Aitor Morales Gregorio, penulis pertama studi tersebut, mengutip penelitian sebelumnya. yang menunjukkan bahwa heterogenitas dalam konektivitas otak dapat mendorong transmisi informasi yang efisien. Selain itu, jaringan heterogen mendukung pembelajaran yang kuat dan meningkatkan kapasitas memori sirkuit saraf.

Referensi: “Distribusi kepadatan neuron log-normal di mana-mana di korteks serebral mamalia” Oleh Aitor Morales-Gregorio, Alexander van Meijen, dan Sasha G. van Albada, 6 Juli 2023, Tersedia di sini. korteks serebral.
doi: 10.1093/sircor/bhad160