Hoe ontwikkelende neuronen “mini-computers” bouwen om hun rekenkracht te vergroten

Een nieuwe muizenstudie van het Nederlands Herseninstituut onthult dat neuronen al heel vroeg in de ontwikkeling “mini-computers” vormen om de informatieverwerking van de hersenen krachtiger te maken.

Het bouwen van een goed werkend brein vereist dat hersennetwerken met hoge zorgvuldigheid worden verbonden. Sleutelfiguren in dit proces zijn vertakte uitlopers van neuronen, dendrieten genaamd, die de ontvangen informatie van andere neuronen verwerken en integreren. Eerder stelden computationele neurowetenschappers voor dat dendrieten informatie lokaal kunnen verwerken in specifieke segmentjes binnen één cel. Zulke “computationele subeenheden” of “mini-computers” zouden de rekenkracht van een neuron drastisch vergroten. Hoe neuronen deze mini-computers tijdens de ontwikkeling in het levende brein bedraden, is nog steeds onbekend.

Maar wat als we de ontwikkeling van deze mini-computers in het echt konden observeren? In een nieuwe studie van de groep van Christian Lohmann onderzochten onderzoekers de computationele subeenheden in het intacte ontwikkelende brein van jonge muizen. Ze ontdekten dat de communicatiepunten in de dendrieten, of synapsen, worden gegroepeerd op basis van de informatie die ze overbrengen. Met andere woorden, synapsen die zich dicht bij elkaar bevinden en vergelijkbare informatie overbrengen, worden gegroepeerd in dendritische domeinen.

Live-opnames

Christian Lohmann: “We hebben deze ontdekking gedaan door time-lapse video’s op te nemen van dendrieten van individuele neuronen in de hersenschors van levende muizen. Interessant ontstaan deze groepjes al voordat de muizen hun ogen openen, dus voordat ze visuele informatie ontvangen. Hier tonen we aan dat naburige synapsen vaak gelijktijdig actief zijn. Wanneer synapsen verder van elkaar verwijderd zijn, zijn ze minder gelijktijdig actief. Het lijkt erop dat deze spontane activiteit (de activiteit die de hersenen genereren voordat de ogen geopend zijn) voldoende is voor het sorteren van synapsen in domeinen en dus waarschijnlijk voor het vormen van deze computationele subeenheden.”

Maar waarom is dit belangrijk? Dit werk zou mogelijk kunnen verklaren hoe bepaalde fouten in de ontwikkeling kunnen ontstaan. “Om dit verder te onderzoeken, willen we kijken naar muismodellen met ontwikkelingsstoornissen, om te zien of de sortering van synapsen in dat geval inderdaad afwezig of veranderd is. Dit zou het idee ondersteunen dat succesvolle sortering van synapsen langs dendrieten nodig is voor de ontwikkeling van een gezond brein.”

Daarnaast zouden deze inzichten ook mogelijk nieuwe ideeën kunnen opleveren voor het ontwerpen van biologisch geïnspireerde kunstmatige netwerken voor geavanceerde informatieverwerking, zoals bijvoorbeeld AI. Lohmann concludeert: “Voor mij is het meest fascinerende hoe specifiek neuronen verbonden zijn en hoe vroeg in de ontwikkeling dit al gebeurt, zonder zelfs maar iets te weten over de buitenwereld. Het is verbazingwekkend hoe de hersenen dit kunnen doen.”

Bron: eLife

Bekijk hieronder de infographic