Onderzoekers die de hersenen bestuderen, zijn al lang geïnteresseerd in de neurale oscillaties, de ritmische elektrische activiteit die een belangrijke rol speelt bij de overdracht van informatie binnen de neurale circuits van de hersenen. Bij ratten, Van oscillaties in het hippocampusgebied van de hersenen is aangetoond dat ze informatie coderen die de positie van het dier in een fysieke ruimte beschrijft. In mensen, neurale oscillaties worden vaak bestudeerd in verband met epilepsie en verschillende slaapstoornissen, hoewel er vragen blijven bestaan ​​over hun precieze functie.

Voor computationele neurowetenschappers, die bestuderen hoe verschillende structuren in de hersenen informatie verwerken, een interessant facet van deze activiteit is het vermogen van neuraal weefsel om te reageren op externe stimuli met verschillende soorten oscillaties.

"Deze uiteenlopende antwoorden liggen ten grondslag aan verschillende belangrijke vragen in de neurowetenschappen, " legde Leandro Alonso uit, een computationele neurowetenschapper en voormalig postdoctoraal fellow aan de Rockefeller University in New York City. "Hoe doet hetzelfde neurale weefsel verschillende dingen op verschillende tijdstippen? Hoe wordt informatie veranderd door de verbindingen en intrinsieke dynamiek van het neurale circuit?"

Werken met het Wilson-Cowan-model, een veelgebruikt model in computationele neurowetenschappen dat de gemiddelde activiteit van populaties van onderling verbonden neuronen beschrijft, Alonso heeft een nieuw wiskundig hulpmiddel ontworpen om andere neurowetenschappers te helpen het brede spectrum van mogelijke reacties van een eenvoudig neuraal circuit te verkennen.

Alonso legt deze week zijn bevindingen uit in het tijdschrift Chaos .

"Het is nuttig bij het modelleren van concepten in de neurowetenschappen om een ​​systeem te hebben dat een breed scala aan gedragingen zal opleveren voor kleine veranderingen van een controleparameter, omdat dit inzicht kan bieden in hoe hetzelfde neurale weefsel verschillende reacties vertoont, "Alonso zei, wiens onderzoek werd gefinancierd door een beurs van de Leon Levy Foundation.

Het model van Alonso is gebaseerd op een wiskundig concept dat een 'niet-lineaire oscillator' wordt genoemd. Wanneer oscillatoren, hoeveelheden die zich in een staat van herhaalde fluctuatie bevinden, zijn lineair, de oscillator reageert op een externe invoer door het ritme of de frequentie ervan te spiegelen. In tegenstelling tot, met niet-lineaire oscillatoren, de frequentie van de oscillerende respons varieert van de frequentie van de ingang. Verschillen kunnen vaak ook worden waargenomen in de vorm van de oscillaties van de respons.

Hoewel niet-lineaire oscillatie niet specifiek is voor neurowetenschappen, Alonso was aangenaam verrast over hoe goed het integreerde met het Wilson-Cowan-model om enig inzicht te bieden in hoe neuronen kunnen worden verbonden, zodat ze een breed scala aan oscillaties opleveren wanneer ze worden gestimuleerd.

"Als je de complexiteit van oscillerende verschijnselen in de hersenen observeert, het lijkt redelijk om aan te nemen dat het kan worden verklaard door een even complex systeem dat ten grondslag ligt aan deze oscillaties, "Zei Alonso. "Of dit nu het geval is of niet, het is interessant dat een eenvoudig circuit met slechts twee populaties van onderling verbonden neuronen een even divers repertoire van activiteit kan produceren."

In zijn artikel, Alonso bevat een reeks kleurrijke "vergrendelingsdiagrammen" die visueel de verscheidenheid aan reacties weergeven die mogelijk zijn als de parameters van de externe stimulus, zoals de frequentie en amplitude, zijn subtiel gewijzigd.

"De verschillende kleuren laten zien hoe de frequentie van de respons is veranderd, ' legde Alonso uit.

Alonso, die voor het eerst de niet-lineaire oscillaties van neuronen begon te bestuderen tijdens zijn opleiding aan het Dynamical Systems Laboratory aan de Universiteit van Buenos Aires, is van mening dat zijn model andere computationele neurowetenschappers kan helpen bij het werken aan hun eigen modellen.

"Ik hoop dat de procedure nuttig zal zijn voor het afleiden van de parameters van neurale circuits, zoals hun connectiviteit, zodat een inkomende oscillatie verschillende soorten reacties zal veroorzaken, "zei Alonso. "Het is ook mogelijk dat de bredere discussie over niet-lineaire oscillaties nuttig kan zijn voor wetenschappers die andere biologische systemen onderzoeken die vergelijkbare dynamische reacties vertonen."

Alonso's volgende onderzoeksproject zal zijn om de eigenschappen te onderzoeken van systemen met meerdere neurale circuits met deze eigenschappen met elkaar verbonden.