Liczba neuronów i ich rozmieszczenie przestrzenne odgrywają ważną rolę w kształtowaniu struktury i funkcji mózgu. Jednak pomimo bogactwa danych medycznych, statystyczne rozkłady gęstości neuronów pozostawały nieopisane. Aż do teraz.
Czytaj też: Odkryto neurony, które sterują temperaturą naszego ciała
Na pomoc przyszli naukowcy z Human Brain Project (HBP), którzy odkryli, że liczba neuronów w obszarach zewnętrznej warstwy tkanki nerwowej u różnych ssaków odpowiada rozkładowi logarytmicznemu normalnemu. To oznacza, że stoi za tym uniwersalny, matematyczny wzór. Szczegóły opisano w czasopiśmie Cerebral Cortex.
Neurony są rozmieszczone w mózgu w określony sposób
Uczeni oparli swoje badania na dziewięciu publicznie dostępnych zbiorach danych dotyczących siedmiu gatunków zwierząt: myszy, marmozet, makaków, galago, sów, pawianów i ludzi. Po przeanalizowaniu obszarów korowych każdego z nich odkryli, że gęstość neuronów w tych regionach ma spójny wzór i da się go opisać rozkładem logarytmicznym normalnym. Sugeruje to, że za organizacją neuronów w mózgach zwierząt stoi uniwersalna zasada.
Czytaj też: Podłączyli organoidy mózgowe do komputera. Efekt przerósł najśmielsze oczekiwania
Rozkład logarytmicznie normalny to ciągły rozkład prawdopodobieństwa dodatniej zmiennej losowej, której logarytm ma rozkład normalny. Różni od rozkładu normalnego (Gaussa) pod kilkoma względami. Najważniejszy to fakt, że krzywa rozkładu normalnego jest symetryczna, podczas gdy krzywa rozkładu logarytmicznie normalnego jest asymetryczna z grubym ogonem.
Dr Sacha van Albada, lider grupy Theoretical Neuroanatomy w Forschungszentrum Jülich, mówi:
Ponieważ obszary kory mózgowej są często rozróżniane na podstawie cytoarchitektury, znajomość rozkładu gęstości neuronów może być istotna dla statystycznej oceny różnic między obszarami i lokalizacji granic między obszarami.
Wyniki te są zgodne z obserwacją, że zaskakująco wiele cech mózgu ma rozkład logarytmiczno-normalny. Jednym z powodów, dla których może to być bardzo powszechne w przyrodzie, jest to, że pojawia się po wzięciu iloczynu wielu zmiennych niezależnych. Innymi słowy, rozkład logarytmiczny normalny jest naturalnym wynikiem procesów, które się mnożą, tak jak rozkład normalny jest naturalnym wynikiem zsumowania wielu zmiennych niezależnych.
Dr Alexander van Meege, współautor badania, dodaje:
Korzystając z prostego modelu, byliśmy w stanie pokazać, jak multiplikatywna proliferacja neuronów podczas rozwoju może prowadzić do obserwowanych rozkładów gęstości neuronów.
Struktura kory mózgowej może być produktem ubocznym rozwoju lub ewolucji, który nie ma nic wspólnego z obliczeniami. Wcześniejsze badania sugerują, że zmiany w sieci neuronowej mózgu mogą aktywnie pomagać zwierzętom w nauce w zmieniającym się środowisku. A fakt, że tę samą organizację można zaobserwować u różnych gatunków i w większości części kory mózgowej, sugeruje, że rozkład logarytmiczny normalny służy pewnemu celowi.
Naukowcy mają nadzieję, że to odkrycie rzuci światło na to, w jaki sposób mózg przechowuje i odzyskuje informacje, a także w jaki sposób zdobywa nową wiedzę. Trwające poszukiwania skutecznych metod leczenia chorób neurologicznych mogą utorować drogę do stworzenia nowych leków działających na określone obszary mózgu.