Neuronal avalanches in awake macaque V1 and V4
Deze studie toont aan dat neuronale lawines in de wakkere visuele cortex (V1 en V4) van macroques robuuste machtswet-schaling en kritische dynamiek vertonen die vergelijkbaar zijn met wat eerder is waargenomen in motorische gebieden, ondanks de aanwezigheid van een sterke gestructureerde afferente drive.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Het brein is geen statische machine; het is een levend netwerk dat nooit echt rust. Zelfs wanneer we nergens specifiek over nadenken, vuren miljarden neuronen in complexe, verschuivende patronen. Decennialang hebben wetenschappers zich afgevraagd of deze achtergrondruis willekeurige chaos is of dat deze een verborgen orde volgt. Een overtuigende gedachte suggereert dat het brein opereert op een "kritiek punt", een delicaat evenwicht tussen orde en chaos waar informatie het meest efficiënt stroomt. In deze staat kunnen kleine vonken van activiteit soms snel uitdoven, maar andere keren kunnen ze uitmonden in enorme golven van gesynchroniseerde vuring, net zoals een klein sneeuwvlokje een grote lawine kan triggeren. Deze cascades, bekend als neuronale avalanches, lijken een specifiek wiskundig patroon te volgen waarbij de frequentie van kleine gebeurtenissen hoog is, maar grote gebeurtenissen, hoewel zeldzaam, toch vaak genoeg voorkomen om een voorspelbare curve te vormen. Als het brein werkelijk op dit kritieke punt leeft, zou dit betekenen dat het netwerk perfect is afgestemd om informatie te verwerken, noch te rigide om te veranderen, noch te chaotisch om een gedachte vast te houden.
Tot voor kort werd dit fenomeen duidelijk waargenomen in de motorische gebieden van wakende apen, die beweging aansturen, en in hersensneden van dieren onder anesthesie. Echter, een cruciale vraag bleef onbeantwoord: bestaat deze zelfde kritieke organisatie ook in de visuele cortex van een wakker dier? Het visuele systeem is uniek omdat het constant wordt gebombardeerd met sterke, gestructureerde signalen van de ogen. Wetenschappers moesten weten of deze zware externe input de delicate balans van de avalanches zou verstoren of dat de interne regels van het brein voor het organiseren van activiteit sterk genoeg waren om te blijven bestaan terwijl het dier naar de wereld keek.
Om dit te beantwoorden, wenden onderzoekers zich tot een enorme dataset die is opgenomen van twee volwassen macrocheten. Deze dieren waren geïmplanteerd met arrays die meer dan duizend minuscule elektroden bevatten, verspreid over twee belangrijke gebieden van het visuele brein: de primaire visuele cortex, die de eerste signalen van de ogen ontvangt, en een hoger gebied dat complexere visuele details verwerkt. De apen zaten rustig in een donkere kamer, zonder een specifieke taak uit te voeren, waardoor de wetenschappers naar de spontane activiteit van het brein konden luisteren. De onderzoekers concentreerden zich op momenten waarop de dieren wakker waren, waarbij ze perioden van slaap of sufheid zorgvuldig wegfilterden, en ze besteedden veel aandacht aan de vraag of de ogen van de apen open of dicht waren. Door de elektrische signalen van deze elektroden te analyseren, zochten ze naar de kenmerkende tekenen van avalanches: clusters van activiteit die klein begonnen en groeiden, volgens het specifieke statistische patroon dat wijst op een systeem dat op een kritiek punt opereert.
De resultaten waren opmerkelijk. In beide apen vormde de spontane elektrische activiteit deze cascades exact zoals voorspeld. De grootte van de avalanches volgde het verwachte patroon over een bereik dat meer dan tien keer de kleinste gebeurtenis beslaat, wat bevestigt dat de visuele cortex, zelfs terwijl deze sterke signalen van de ogen ontvangt, op dezelfde manier is georganiseerd als de motorische cortex. De onderzoekers testten de robuustheid van deze bevinding door de regels van hun analyse te wijzigen. Ze bekeken de data met verschillende tijdsvensters, verhoogden de drempelwaarde voor wat als een gebeurtenis werd beschouwd, en verwijderden zelfs grote aantallen elektroden om te zien of het patroon standhield. In elk geval bleef de power-law relatie intact. Wanneer ze de timing van de signalen door elkaar gehusseld, zodat gebeurtenissen op verschillende elektroden niet langer samenvielen, verdween het patroon, wat bewees dat de organisatie echt was en niet slechts een statistische toevalligheid. Ze ontdekten ook dat het afkap punt, waar de grootste avalanches stopten, perfect schaalde met het aantal elektroden dat ze in de gaten hielden, wat suggereert dat de omvang van de grootste gebeurtenissen alleen wordt beperkt door hoeveel van het brein ze kunnen zien, en niet door de interne dynamiek van het brein.
Een van de meest intrigerende delen van de studie betrof de oogtoestand van de apen. De onderzoekers vergeleken de hersenactiviteit wanneer de dieren hun ogen open hadden versus wanneer ze hun ogen dicht hadden. Intuïtief zou men verwachten dat het brein heel anders zou reageren wanneer de vloedgolf van visuele input wordt afgesloten. Echter, de studie vond dat de fundamentele statistieken van de avalanches vrijwel onveranderd bleven. Of de ogen nu open of dicht waren, de grootte van de cascades, de snelheid waarmee ze groeiden en de balans van activiteit binnen het netwerk bleven hetzelfde. De geobserveerde verschillen waren zo klein dat ze veel kleiner waren dan de natuurlijke variaties gezien tussen verschillende opnameplaatsen in hetzelfde brein. Dit suggereert dat de interne organisatie van het brein opmerkelijk stabiel en robuust is, in staat om zijn kritieke staat te behouden, zelfs wanneer de externe wereld drastisch verandert.
De onderzoekers merkten ook op dat hoewel het algemene patroon consistent was, er subtiele verschillen waren tussen de twee apen en tussen verschillende opnamelocaties binnen het brein. Deze variaties waren groter dan de veranderingen veroorzaakt door het openen of sluiten van de ogen, wat erop wijst dat de specifieke architectuur van het weefsel of de technische details van de opname de exacte getallen zouden kunnen vormen. De studie vond geen bewijs dat het brein opereert in een staat van perfecte, onveranderlijke kritikaliteit, maar eerder dat het een stabiele, kritiek-achtige organisatie handhaaft die veerkrachtig is tegen veranderingen in sensorische input. Dit werk breidt ons begrip van hoe het brein werkt uit, door te laten zien dat de elegante, schaalvrije organisatie van neuronale avalanches niet beperkt is tot motorische controle of rustige, onder anesthesie gebrachte staten, maar een fundamenteel kenmerk is van het wakkere, sensorische verwerkende brein.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.