Equipo de investigación descubre estrategias que impulsan las conexiones neuronales
Crédito: Universidad de Oregón
Usando imágenes de alta resolución y modelado por computadora en 3D, un equipo de investigación de la Universidad de Oregón descubrió que los brazos ramificados de las neuronas se entrelazan a través del espacio de una manera eso equilibra su necesidad de conectarse a otras neuronas con los costos de hacerlo.
El descubrimiento de cómo se comportan estas dendritas se produjo cuando el equipo de Richard Taylor buscaba comprender la naturaleza fractal de las neuronas como parte de un proyecto para diseñar electrodos inspirados en fractales para conectarse con las neuronas de la retina y abordar la pérdida de visión debida a enfermedades de la retina.
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La investigación, detallada el 27 de enero en Scientific Reports, podría ser importante, dijo Taylor, en la creación de electrodos con una pista de bienvenida para las dendritas neuronales.
«El desafío en nuestra investigación ha sido comprender cómo las neuronas a las que queremos apuntar en la retina se conectarán a nuestros electrodos», dijo Taylor, profesor y jefe del Departamento de Física. «Esencialmente, tenemos que engañar a las neuronas para que piensen que el electrodo es otra neurona haciendo que las dos tengan el mismo carácter fractal».
En el proyecto, el equipo de la UO y colaboradores de la Universidad de Auckland y La Universidad de Canterbury en Nueva Zelanda usó microscopía confocal, que proporciona una vista tridimensional mejorada ópticamente que permite mediciones precisas, para examinar las neuronas de la región del hipocampo de los cerebros de ratas.
Eso reveló una intrincada interacción de ramas que atraviesan el espacio en múltiples escalas de tamaño antes de conectarse con otras neuronas. Eso, dijo Taylor, planteó la pregunta, ¿por qué adoptar un patrón tan complicado?
Con la ayuda del investigador postdoctoral de la UO Saba Moslehi, los estudiantes de doctorado Julian H. Smith y Conor Rowland recurrieron al modelado 3D. Exploraron lo que sucede cuando manipulan las dendritas de más de 1600 neuronas en formas no naturales, alisándolas o enrollándolas.
«Al distorsionar sus ramas y observar lo que sucede, pudimos demostrar que las el tejido fractal de las ramas naturales está equilibrando la capacidad de las neuronas para conectarse con sus vecinas para formar circuitos eléctricos naturales al mismo tiempo que equilibra los costos de construcción y operación de los circuitos», dijo Rowland.
Usando un análisis fractal conocido como Con la técnica de conteo de cajas, los investigadores asignaron dimensiones fractales, o valores D, que evalúan las contribuciones relativas de las dendritas de escala gruesa y fina al patrón fractal de una neurona.
Estos valores D, dijo Taylor, será útil para optimizar los diminutos electrodos de su equipo para implantarlos en la parte posterior de los ojos para estimular las neuronas de la retina.
«Nuestros implantes tendrán que adaptarse a las ramas de tejido de las neuronas a través de una selección cuidadosa de sus valores D», dijo Tayl o, miembro del Instituto de Ciencias de Materiales de la UO. «A diferencia de construir una pista recta para que un piloto pueda aterrizar de manera eficiente, nuestros electrodos deberán actuar como una pista tejida para que las neuronas puedan conectarse sin cambiar su comportamiento».
Los fractales de la naturaleza se benefician de cómo crecen en escalas múltiples, dijo Taylor, quien ha buscado durante mucho tiempo la bioinspiración de los fractales. Si bien los árboles tienen la forma más reconocida de ramificación fractal, este trabajo, dijo, destaca cómo difieren las neuronas.
«Mientras que el carácter fractal de los árboles se origina predominantemente en la distribución de los tamaños de las ramas, las neuronas también usan la forma en que sus ramas se entrelazan a través del espacio para generar su carácter fractal», dijo Taylor.
Taylor, un becario Cottrell del Consejo de Investigación para el Avance de la Ciencia, recibió una amplia patente estadounidense en 2015 no solo por su desarrollo de implantes artificiales basados en fractales relacionados con la visión, pero también con todos los implantes que vinculan la actividad de señalización con los nervios para cualquier propósito en la biología animal y humana.
El equipo de Taylor también planteó la posibilidad de que los valores D de las redes neuronales puedan beneficiar la investigación sobre enfermedades relacionadas con el cerebro. Para la enfermedad de Alzheimer, dijo Taylor, podrían ser una medida para comprender las disminuciones en la conectividad entre las neuronas.
«Muchas enfermedades dan como resultado la pérdida de conectividad, y los valores de D de las neuronas pueden disminuir a medida que pasan a un estado patológico». estado”, dijo.
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Las simulaciones señalan el éxito temprano de los implantes de retina basados en fractales Más información: Julian H. Smith et al. Cómo las neuronas explotan la geometría fractal para optimizar su conectividad de red, Scientific Reports (2021). DOI: 10.1038/s41598-021-81421-2 Información de la revista: Informes científicos
Proporcionado por la Universidad de Oregón Cita: El equipo de investigación desbloquea estrategias que impulsan las conexiones neuronales (2021 , 2 de marzo) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2021-03-team-strategies-neuron.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.