Hinter den Kulissen: Verstehen des Gehirns als rechnerische Netzwerk


Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Wenn das Gehirn unglaublich komplex erscheinen mag, kann es als ein Netzwerk, ähnlich wie Computer-Chips oder das Internet verstanden werden. Eine neue Analyse im Journal PLoS One hat die Funktionsweise des Nervensystems ein Wurm als Muster mit den Verbindungen zwischen den Nervenzellen mit unterschiedlichen Funktionen beschrieben.

Anders als das menschliche Gehirn hat die mikroskopische Fadenwurm Caenorhabditis Elegans ein einfaches Nervensystem, bestehend aus nur 302 Nervenzellen. Trotzdem, dieser Wurm dient als ein Modell für neurologische Erkrankungen zu verstehen und das menschliche Gehirn hat seinen Ursprung in solchen einfachen Nervensystemen.

Das Team von Keck Graduate Institute, Michigan State University und der BEACON-Mitte für die Studie der Evolution in Aktion kombiniert zwei verschiedene Arten von Informationen – die bekannte Funktion der einzelnen Nervenzelle und die Karte der Verbindungen zwischen diesen Zellen — zu entschlüsseln, wie die Zellen zusammenarbeiten, um den Wurm Lebensfunktionen ausführen.

Das gesamte Netzwerk unterteilen in kleinere Subnetze oder "Motive." Entdecken Sie welche Motive in größeren Netzwerk überrepräsentiert sind, und welche selten oder nie angezeigt werden, geben wichtige Hinweise auf die Art und Weise die Netzwerkfunktionen.

Diese Technik wurde in der Vergangenheit auf der Wurm Nervensystem angewendet, aber es "ignoriert, dass jeder Knoten im Netzwerk kann sehr unterschiedliche Funktionen haben, so dass zwei Motive, die die gleiche Konnektivität haben sehr unterschiedliche Funktionen im Netzwerk, haben könnte", sagte Christoph Adami, ein BEACON-Wissenschaftler, der die Studie leitete.

Um die Technik zu verbessern, die Forscher verwendeten Farben, um drei Arten von Neuronen zu vertreten: sensorische Neuronen wurden grün eingefärbt (86 Neuronen), motorischen Neuronen, die am weitesten verbreitete, waren farbige blau (114) und die Interneurone, die zwischen ihnen mitgeteilt wurden rot gefärbt (80). Sie untersuchten dann die farbige Motive erschienen in den meisten Fällen, und wo sie erschienen.

Die Ergebnisse sinnvoll: motorischen Neuronen sind in der Regel am empfangenden Ende der Signale, während sensorische Neuronen die meisten der Sendung zu tun. Die am weitesten verbreitete Kette nur drei Nervenzellen beteiligt: sensorischen Neuron Interneuron zu Motoneuron, ermöglichte den Wurm eine schnelle Reaktion auf äußere Reize.

Diese Motive, und andere, die Bewegung, produzieren würde sind besonders wichtig in der Wurm Fortbewegung Netzwerk. Unter die gemeinsame Motive fanden die Forscher nicht längere, unidirektionale Ketten mit mehr als ein paar Inter-Neuronen, die betont, wie wichtig schnelle Kommunikation innerhalb des Nervensystems. Fehlt ebenfalls aus dem Gehirn wurden unsinnige Verbindungen, wie z. B. ein Motor Neuron senden von Informationen zu einem sensorischen Neuron.

Die Rolle der Evolution in der Herstellung dieser Muster sagte klar, Adami. "Selektion begünstigt diese Motive, die hohe Fitness für den Organismus zu vermitteln und unterdrückt diejenigen, die gegen die jeweilige Aufgabe zu arbeiten."

Auf diese Weise sind die effiziente und hochfunktionelle Motive (z. B. das sensorische Neuron - Inter Neuron - Motoneuron Motiv) sehr häufig im Nervensystem, während diejenigen, die Energie verschwenden würde und geben keinen Vorteil oder sogar Schaden, das Tier findet man nicht im Netz.

Anmerkung der Redaktion: Diese Forschung wurde unterstützt durch die National Science Foundation (NSF), die Bundesagentur für angeklagt Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Sehen den Blick hinter die Kulissen Archiv.

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