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La proyección de imagen de alta resolución, modelado de la computador 3D revela la naturaleza del fractal de neuronas

Proyección de imagen de alta resolución y computador 3D que modelan la demostración que las dendritas de neuronas tejen a través de espacio de una manera que equilibre su necesidad de conectar con otras neuronas con los costos de hacer tan.

El descubrimiento, denunciado en partes científicos de la naturaleza 27 de enero, emergió como investigadores intentados para entender la naturaleza del fractal de neuronas como parte de una universidad del proyecto de Oregon para diseñar los electrodos fractal-dados forma para conectar con las neuronas retinianas con la baja de la visión del direccionamiento debido a las enfermedades retinianas.

El reto en nuestra investigación ha estado entendiendo cómo las neuronas que queremos apuntar en la retina conectarán con nuestros electrodos. Esencialmente, tenemos que engañar las neuronas en el pensamiento de que el electrodo es otra neurona haciendo los dos tiene el mismo carácter del fractal.”

Richard Taylor, profesor y culata de cilindro, departamento de la física, universidad de Oregon

Trabajando con los colaboradores en la universidad de Auckland y la universidad de Cantorbery en Nueva Zelanda, la microscopia confocal de neuronas en la región hippocampal del cerebro de una rata reveló una interacción compleja de los brazos que tejían a través de espacio en las escalas múltiples de la talla antes de conectar con otras neuronas. ¿Que, Taylor dijo, aumentado la pregunta, por qué adopte una configuración tan complicada?

Con la ayuda del investigador postdoctoral Saba Moslehi, estudiantes doctorales H. juliano Smith y Conor Rowland del UO giró a 3D que modelaba para explorar qué suceso cuando él manipuló las dendritas de más de 1.600 neuronas en formas artificiales, enderezándolas o encrespándolas hacia arriba.

“Torciendo sus brazos y observando qué suceso, podíamos mostrar que el tejer del fractal de los brazos naturales está equilibrando la capacidad de neuronas de conectar con sus vecinos con los circuitos eléctricos naturales de la forma mientras que equilibra la construcción y los gastos de explotación de los circuitos,” Rowland dijo.

Usando un análisis del fractal conocido como la técnica caja-que contaba, los investigadores podían destinar dimensiones del fractal, o los valores D, que cuantifican las contribuciones relativas de las dendritas bastas y fino-escaladas a la configuración del fractal de una neurona. Estos valores D, Taylor dijo, serán importantes en la optimización de los electrodos minúsculos de sus personas para implantar en el dorso de aros para estimular las neuronas retinianas.

“Nuestros implantes tendrán que acomodar los brazos que tejen de las neuronas con la selección cuidadosa de sus valores D,” dijo a Taylor, pieza del instituto de la ciencia material del UO. “A diferencia de construir una pista de aterrizaje derecha así que a un piloto pueden aterrizar eficientemente, nuestros electrodos necesitarán actuar como una pista de aterrizaje que teje de modo que las neuronas puedan conectar sin el cambio de su comportamiento.”

Los fractales de la naturaleza se benefician de cómo crecen en las escalas múltiples, dijeron a Taylor, que ha girado de largo a los fractales como bioinspiration. Mientras que los árboles tienen la forma más-reconocida del fractal el ramificarse, los puntos culminantes de este trabajo, él dijo, cómo las neuronas son diferentes de árboles.

“Mientras que el carácter del fractal de árboles origina predominante de la distribución de las tallas del brazo, las neuronas también utilizan la manera que sus brazos tejen a través de espacio para generar su carácter del fractal,” Taylor dijo.

Concedieron Taylor, escolar de Cottrell del Consejo de Investigación para el adelanto de la ciencia, una patente arrebatadora de los E.E.U.U. en 2015 para no sólo su revelado de los implantes fractal-basados artificiales relacionados con la visión pero también con todos tales implantes que conectan actividad de la transmisión de señales a los nervios para cualquier propósito en la biología animal y humana.

Taylor y los co-autores cerraron su papel mencionando la posibilidad que los valores D del establecimiento de una red neuronal pueden beneficiar a la investigación sobre enfermedades cerebro-relacionadas numerosas. Para la enfermedad de Alzheimer, Taylor dijo, los valores D podrían ser una dimensión para las disminuciones de comprensión en conectividad entre las neuronas.

“Muchas enfermedades dan lugar a conectividad perdidosa, y los valores D de la neurona pueden ser cayendo como se trasladan a un estado patológico,” él dijeron.

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.