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A imagem lactente de alta resolução, modelagem do computador 3D revela a natureza do fractal dos neurônios

Imagem lactente de alta resolução e computador 3D que modelam a mostra que as dendrites dos neurônios tecem através do espaço em uma maneira que equilibre sua necessidade de conectar a outros neurônios com os custos de fazer assim.

A descoberta, relatada em relatórios científicos da natureza 27 de janeiro, emergiu como os pesquisadores procurados compreender a natureza do fractal dos neurônios como parte de uma universidade do projecto de Oregon para projectar os eléctrodos fractal-dados forma conectar com os neurônios retinas à perda da visão do endereço devido às doenças retinas.

O desafio em nossa pesquisa tem compreendido como os neurônios que nós queremos visar na retina conectarão a nossos eléctrodos. Essencialmente, nós temos que enganar os neurônios em pensar que o eléctrodo é um outro neurônio fazendo os dois tem o mesmo carácter do fractal.”

Richard Taylor, professor e cabeça, departamento de física, universidade de Oregon

Trabalhando com os colaboradores na universidade de Auckland e na universidade de Canterbury em Nova Zelândia, a microscopia confocal dos neurônios na região hippocampal do cérebro de um rato revelou uma interacção intrincada dos ramos que tecem através do espaço em escalas múltiplas do tamanho antes de conectar a outros neurônios. Que, Taylor disse, aumentado a pergunta, por que adote um teste padrão tão complicado?

Com a ajuda do pesquisador cargo-doutoral Saba Moslehi do UO, estudantes doutorais H. juliano Smith e Conor Rowland girou para 3D que modela para explorar o que acontece quando manipulou as dendrites de mais de 1.600 neurônios em formulários não naturais, endireitando os ou ondulando os acima.

“Distorcendo seus ramos e olhando o que acontece, nós podíamos mostrar que a tecelagem do fractal dos ramos naturais está equilibrando a capacidade dos neurônios para conectar com seus vizinhos aos circuitos elétricos naturais do formulário ao equilibrar a construção e os custos de operação dos circuitos,” Rowland disse.

Usando uma análise do fractal conhecida como a técnica decontagem, os pesquisadores podiam atribuir dimensões do fractal, ou valores de D, que determinam as contribuições relativas das dendrites grosseiras e fino-escaladas ao teste padrão do fractal de um neurônio. Estes valores de D, Taylor disse, será importantes em aperfeiçoar os eléctrodos minúsculos da sua equipe para implantar na parte traseira dos olhos para estimular os neurônios retinas.

“Nossos implantes terão que acomodar os ramos de tecelagem dos neurônios com a selecção cuidadosa de seus valores de D,” disse Taylor, um membro do instituto da ciência de materiais do UO. “Ao contrário de construir uma pista de decolagem recta assim que um piloto podem aterrar eficientemente, nossos eléctrodos precisarão de actuar como uma pista de decolagem de tecelagem de modo que os neurônios possam conectar sem mudar seu comportamento.”

Os fractals da natureza tiram proveito de como crescem em escalas múltiplas, disseram Taylor, que tem girado por muito tempo para fractals como o bioinspiration. Quando as árvores tiverem o formulário mais-reconhecido do fractal ramificar, destaques deste trabalho, disse ele, como os neurônios são diferentes das árvores.

“Visto que o carácter do fractal das árvores origina predominante da distribuição de tamanhos do ramo, os neurônios igualmente usam a maneira que seus ramos tecem através do espaço para gerar seu carácter do fractal,” Taylor disse.

Taylor, um erudito de Cottrell do Conselho de Pesquisa para o avanço da ciência, foi concedido uma patente arrebatadora dos E.U. em 2015 para não somente sua revelação dos implantes fractal-baseados artificiais relativos à visão mas igualmente a todos tais implantes que ligam a actividade da sinalização com os nervos para toda a finalidade na biologia animal e humana.

Taylor e co-autores fechados seu papel levantando a possibilidade que os valores de D de trabalhos em rede neuronal podem beneficiar a pesquisa sobre doenças cérebro-relacionadas numerosas. Para a doença de Alzheimer, Taylor disse, os valores de D poderiam ser uma medida para diminuições compreensivas na conectividade entre os neurônios.

“Muitas doenças conduzem a conectividade perdedora, e os valores do neurônio D podem ser deixando cair como se movem em um estado patológico,” ele disseram.

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.