Nieuw onderzoek toont aan dat wanneer neuronen informatie krijgen over de veranderende wereld om hen heen (taakrelevante sensorische input), dit de manier verandert waarop ze zich gedragen, waardoor ze in een limbo-toestand terechtkomen, zodat kleine inputs een ‘lawine’ van hersenactiviteit kunnen veroorzaken, wat een theorie ondersteunt die de kritische hersenhypothese wordt genoemd.

Microscoopafbeelding van een neurale cel met fluorescerende markeringen die verschillende soorten cellen laten zien. Groen markeert neuronen en axonen, paars markeert neuronen, rood markeert dendrieten en blauw markeert alle cellen. Als er meerdere markeringen aanwezig zijn, versmelten de kleuren en zien ze er vaak geel of roze uit, afhankelijk van het aantal markeringen. Afbeelding tegoed: Cortical Labs

Onderzoekers van CorticalLabs en de Universiteit van Melbourne gebruikten DishBrain, een verzameling van 800.000 menselijke zenuwcellen, om te leren tafeltennissen. Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

Dit is het sterkste bewijs tot nu toe ter ondersteuning van een controversiële theorie over hoe het menselijk brein informatie verwerkt. Volgens de kritische hersenhypothese zijn grote en complexe gedragingen alleen mogelijk wanneer neuronen zich in een limbische toestand bevinden en kleine inputs een ‘lawine’ van hersenactiviteit kunnen veroorzaken. Deze uitgebalanceerde toestand staat bekend als 'neurokritisch' en ligt tussen twee uitersten: de ongecontroleerde opwinding die wordt waargenomen bij ziekten zoals epilepsie, en de coma waarbij de signaaloverdracht vastloopt.

Dr. Brett Kagan, hoofd wetenschappelijk directeur van biotech-startup CorticalLabs, zei: "Het laat niet alleen zien dat het netwerk reorganiseert in een bijna kritieke toestand bij het ontvangen van gestructureerde informatie, maar dat het bereiken van die toestand ook leidt tot betere taakprestaties." De resultaten waren verrassend en overtroffen ruimschoots onze verwachtingen. "

Deze studie voegt een belangrijk stuk toe aan de puzzel van de kritische hersenhypothese.

TAGP H19ForoughHabibollahi, eerste auteur van de studie

Belangrijkste bevindingen en implicaties

Tot nu toe is er weinig experimenteel bewijs dat kriticiteit een algemeen kenmerk is van biologische neuronale netwerken of dat het verband houdt met de informatiebelasting TAGPH27

Dr. Kagan zei: “Onze resultaten laten zien dat bijna-kritisch netwerkgedrag optreedt wanneer een neuraal netwerk een taak uitvoert die niet plaatsvindt wanneer het niet wordt gestimuleerd. "

Uit het onderzoek van Dr. Kagan blijkt echter dat kriticiteit alleen niet genoeg is om het leren van neurale netwerken te stimuleren. "Leren vereist een feedbacklus die het netwerk voorziet van aanvullende informatie over de gevolgen van een actie", zei hij. "

Recent onderzoek benadrukt het potentieel van DishBrain om de geheimen van het menselijk brein te helpen ontsluiten en hoe het werkt werkt, wat niet mogelijk is in diermodellen.

Eerste auteur Dr. Forough Habibollahi zei: "Normaal gesproken moeten onderzoekers, om de hersenen te bestuderen, vooral op neuronale schaal, diermodellen gebruiken, maar er zijn veel problemen daarbij en het aantal proefpersonen is beperkt, dus toen ik zag dat DishBrain in staat was om verschillende soorten vragen te beantwoorden op een manier die anderen niet konden

Toepassingen en toekomst Mogelijkheden

Artsen zien ook grote mogelijkheden voor dit onderzoek om behandelingen voor ernstige hersenziekten te helpen ontdekken

“Het DishBrain Pivotal Project is een geweldige samenwerkingservaring geweest tussen corticale laboratoria, biomedische technologie en neurologie”, aldus artikelauteur Dr. Chris French, hoofd van het onderzoek. Neurodynamics Laboratory van de afdeling Geneeskunde van de Universiteit van Melbourne. “De sleuteldynamiek van DishBrain-neuronen zou belangrijke biomarkers kunnen opleveren voor het diagnosticeren en behandelen van een reeks neurologische ziekten, van epilepsie tot dementie. "

Door levende hersenmodellen te construeren, zullen wetenschappers experimenten kunnen uitvoeren met behulp van echte hersenfuncties in plaats van gebrekkige soortgelijke modellen zoals computers, niet alleen om de hersenfunctie te onderzoeken, maar ook om te testen hoe medicijnen deze beïnvloeden.

Professor Anthony Burkitt, de auteur van het artikel en hoofd van de afdeling Biosignalen en Biologische Systemen van de Universiteit van Melbourne zei dat dit onderzoek ook de uitdagingen kan oplossen waarmee hersen-computerinterfaces worden geconfronteerd en functies kan herstellen die verloren zijn gegaan als gevolg van zenuwbeschadiging. interactie met neurale circuits in de hersenen. Het gebied van biologische hersenmodellering staat nog in de kinderschoenen, maar opent de weg naar een geheel nieuw wetenschapsgebied”, aldus dr. Kagan.