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La rappresentazione ad alta definizione, modellistica del computer 3D rivela la natura di frattale dei neuroni

Rappresentazione ad alta definizione e computer 3D che modellano manifestazione che i dendrites dei neuroni tessono attraverso spazio in un modo che salda la loro necessità di connettere ad altri neuroni con i costi di agire in tal modo.

La scoperta, riferita nei rapporti scientifici della natura 27 gennaio, è emerso come ricercatori cercati per capire la natura di frattale dei neuroni come componente di un'università di progetto dell'Oregon per progettare gli elettrodi a forma di frattale per connettere con i neuroni retinici a perdita della visione di indirizzo dovuto le malattie retiniche.

La sfida nella nostra ricerca sta capendo come i neuroni che vogliamo mirare a nella retina connetteranno ai nostri elettrodi. Essenzialmente, dobbiamo imbrogliare i neuroni nel pensiero che l'elettrodo è un altro neurone facendo i due ha lo stesso carattere di frattale.„

Richard Taylor, il professor e capo, dipartimento di fisica, università di Oregon

Lavorando con i collaboratori all'università di Auckland ed all'università di Canterbury in Nuova Zelanda, la microscopia confocale dei neuroni nella regione hippocampal di cervello di un ratto ha rivelato un'interazione complessa dei rami che tessono attraverso lo spazio ai disgaggi multipli di dimensione prima del connettere ad altri neuroni. Che, Taylor ha detto, sollevato la domanda, perché adotti così reticolo complicato?

Con l'aiuto del ricercatore post-dottorato Saba Moslehi, gli studenti di laurea Julian H. Smith e Conor Rowland del UO si è girato verso 3D che modella per esplorare che cosa accade quando hanno manipolato i dendrites di più di 1.600 neuroni nei moduli artificiali, raddrizzante li o arricciante li su.

“Distorcendo i loro rami ed esaminando che cosa accade, potevamo indicare che la tessitura di frattale dei rami naturali sta saldando la capacità dei neuroni di connettere con i loro vicini ai circuiti elettrici naturali del modulo mentre saldando la costruzione ed i costi di gestione dei circuiti,„ Rowland ha detto.

Facendo uso di un'analisi di frattale conosciuta come la tecnica diconteggio, i ricercatori potevano definire le dimensioni frattali, o i valori d, che quantificano i contributi relativi dei dendrites grezzi e fine-sottoposti a operazioni di disgaggio al reticolo del frattale di un neurone. Questi valori d, Taylor ha detto, saranno importanti nell'ottimizzazione degli elettrodi minuscoli del suo gruppo per l'impianto alla parte posteriore degli occhi per stimolare i neuroni retinici.

“I nostri innesti dovranno accomodare i rami della tessitura dei neuroni con la selezione attenta dei loro valori d,„ ha detto Taylor, un membro dell'istituto di scienza dei materiali del UO. “A differenza della costruzione una pista diritta in modo da del pilota possono sbarcare efficientemente, i nostri elettrodi dovranno agire come una pista di tessitura in moda da potere connettere i neuroni senza cambiare il loro comportamento.„

I frattali della natura traggono giovamento da come si sviluppano ai disgaggi multipli, hanno detto Taylor, che lungamente si è girato verso i frattali come bioinspiration. Mentre gli alberi hanno il modulo più-riconosciuto del frattale ramificarsi, punti culminanti di questo lavoro, disse, come i neuroni sono differenti dagli alberi.

“Mentre il carattere di frattale degli alberi nasce principalmente dalla distribuzione delle dimensioni del ramo, i neuroni egualmente usano il modo che i loro rami tessono attraverso spazio per generare il loro carattere di frattale,„ Taylor ha detto.

Taylor, uno studioso di Cottrell del consiglio della ricerca per l'avanzamento di scienza, è stato accordato un brevetto ampio degli Stati Uniti nel 2015 per non solo il suo sviluppo agli degli innesti basati a frattale artificiali relativi alla visione ma anche a tutti gli tali innesti che collegano l'attività di segnalazione con i nervi per tutto lo scopo nella biologia animale ed umana.

Taylor e co-author chiusi il loro documento sollevando la possibilità che i valori d di rete di un neurone possono avvantaggiare la ricerca sulle numerose malattie in relazione con il cervello. Per il morbo di Alzheimer, Taylor ha detto, i valori d potrebbero essere una misura per i declini di comprensione nella connettività fra i neuroni.

“Molte malattie provocano la connettività perdente ed i valori d del neurone possono essere cadendo mentre entrano in uno stato patologico,„ lui hanno detto.

Source:
Journal reference:

Smith, J. H., et al. (2021) How neurons exploit fractal geometry to optimize their network connectivity. Scientific Reports. doi.org/10.1038/s41598-021-81421-2.