Ideea conform căreia o activitate complexă poate apărea, într-un mod spontan, din manifestarea mai multor interacţiuni simple, există într-o mare varietate de domenii, precum în economie, în mediul online şi în ceea ce priveşte dezvoltarea urbană. Dar, probabil, cel mai bun exemplu îl reprezintă creierul, locul în care activitatea aleatorie a mii de neuroni generează, în mod spontan, o stare coerentă de comunicare colectivă care stă la baza tuturor funcţiilor creierului.
În ciuda progresele importante înregistrate în ultima vreme, mecanismele responsabile pentru originea şi menţinerea acestei activităţi neuronale spontane sunt încă puţin cunoscute.
O reprezentare spaţială a activităţii neuronale, în avalanşă, din cadrul unei culturi de formă circulară ce are o rază de 2,5 mm şi o densitate de 300 neuroni pe mm. Sunt arătate doar 1% dintre cele mai active conexiuni neuronale. Culorile diferite corespund unor grupări neuronale diferite, care se realizează în funcţie de algoritmul de detecţie specific al grupului de neuroni.
Credit: Javier G. Orlandi, et al. ©2013 Macmillan Publishers Limited
Într-un nou studiu publicat în Nature Physics, o echipă de cercetători din Spania a demonstrat că apariţia reţelelor neuronale poate fi explicată sub forma unui fenomen condus de zgomot (activitate neuronală aleatorie), care este controlat de influenţa reciprocă dintre topologia reţelei neuronale şi dinamica neuronală intrinsecă. În acest scenariu, un semnal neuronal aleatoriu se propagă prin reţeaua neuronală şi este amplificat de o concentrare de zgomot, ceea ce cercetătorii descriu ca fiind o concentrare implozivă a unei activităţi neuronale spontane.
„Din punct de vedere experimental, noi arătăm că în culturile neuronale, apariţia timpurie a unei activităţi neuronale spontane, colective, este influenţată de prezenţa unor unde de activitate care apar în anumite regiuni ale culturii, într-un mod similar procesului care se produce în organismele vii", declară Javier G. Orlandi, de la University of Barcelona, autorul şi conducătorul studiului. „Cu ajutorul simulărilor, noi am arătat, de asemenea, că nu sunt necesare mecanisme speciale pentru a explica acest comportament, ci doar combinaţia potrivită între structura reţelei neuronale şi dinamica acesteia. Aceste unde apar, în mod natural, prin efectul de concentrare al zgomotului, în care semnalele neuronale individuale se propagă şi se concentrează în regiuni specifice pentru a genera, mai târziu, aceste unde de activitate neuronală".
Cercetătorii au ajuns la această explicaţie prin combinarea unor experimente efectuate pe şobolani, prin care s-a obţinut o imagistică cerebrală, de înaltă rezoluţie, cu simulări teoretice. Experimentele au arătat că impulsurile neuronale în rafală sunt controlate de undele care provin din cadrul unor zone, de mici dimensiuni, numite centre de nucleaţie.
Deşi cercetările anterioare au emis ipoteza existenţei acestor unde, acest studiu este primul care oferă o rezoluţie suficient de mare a datelor pentru a permite măsurarea vitezei acestor unde, pentru prima dată. Natura aleatorie a procesului de producere a acestor unde, prin intermediul semnalelor neuronale spontane, sprijină, de asemenea, ideea că acesta este un fenomen condus de zgomot, în care undele sunt amplificate ulterior pentru a genera o activitate neuronală în cascadă, la nivelul creierului.
Punctul de vedere al apariţiei în reţelele neuronale a unei activităţi globale, ca urmare a unui fenomen influenţat de zgomot, diferă de punctul de vedere consacrat, în care cascadele de impulsuri neuronale sunt controlate de către neuroni ce conduc semnalul şi acţionează în funcţie de arhitectura reţelei. În cadrul explicaţiei ce consideră existenţa unui fenomen condus de zgomot pentru activitatea neuronală în cascadă, centrii de nucleaţie nu iniţiază, în mod activ, procesul de apariţie a semnalelor neuronale, dar colectează şi amplifică activitatea neuronală ce apare, indiferent unde se află sursa ei.
În conformitate cu declaraţiile cercetătorilor, înţelegerea implicaţiilor cauzate de concentratorii de activitate neuronală din creier reprezintă o temă de studiu pentru cercetările viitoare.
„Mecanismul de zgomot concentrat apare, în mod natural, în orice sistem ce conţine centrii interconectaţi (cum ar fi neuronii), astfel încât efectul său ar trebui să fie, de asemenea, prezent în creier", a spus Orlandi. „În cazul în care acest efect este important în creier, sau, prin contrast, în cazul în care creierul are alte mecanisme pentru a contracara efectul său, aceasta este o problemă ce rămâne deschisă. S-ar putea ca concentratorii de zgomot să fie responsabili pentru generarea undelor de activitate neuronală, în timpul dezvoltării lor, similar procesului ce are loc în retină. Totodată acest mecanism poate contribui la maturizarea reţelelor neuronale.
Pentru viitor, cercetătorii îşi propun să investigheze în continuare activitatea neuronală, prin mai multe investigaţii aprofundate.
„Noi vrem să vedem ce se întâmplă în cazul unor sisteme neuronale mai complexe, cum ar fi înregistrările neuronale pe bază de electrozi aplicaţi unor animale anesteziate, pentru a vedea dacă vom observa acelaşi efect şi acolo", a spus Orlandi. „Noi ştim că undele de activitate neuronală sunt prezente în aceste sisteme, dar trebuie să înţelegem, cu exactitate, cum se formează acestea, dacă ele apar prin intermediul concentrărilor de zgomot sau au o altă cauză. De asemenea, ar fi extrem de interesant să se verifice ce influenţă are concentrarea zgomotului în cadrul reţelele sociale, un exemplu posibil poate fi felul în care se răspândeşte unui zvon".
În această analogie, punctul de origine al zvonului poate fi comparat cu un centru de nucleaţie neuronal de la care provin undele neuronale. Răspândirea zvonului se poate compara cu procesul de apariţie a unei activităţi neuronale, în cascadă, ce implică o comunicare colectivă între neuroni, prin intermediul interconexiunilor neuronale.
Traducere de Cristian-George Podariu după complex-behavior-spontaneously-emerge-brain cu acordul editorului
