Investigadores de HBP del Forschungszentrum Jülich y de la Universidad de Colonia (Alemania) han descubierto cómo se distribuye la densidad neuronal en las áreas corticales del cerebro de los mamíferos. Han revelado el principio organizador básico de la citoarquitectura cortical: la distribución logarítmica normal ubicua de la densidad neuronal.
El número de neuronas y su disposición espacial juegan un papel importante en la configuración de la estructura y función del cerebro. Sin embargo, a pesar de la gran cantidad de datos citoarquitectónicos disponibles, las distribuciones estadísticas de la densidad neuronal siguen sin describirse en gran medida. Un nuevo estudio de HBP publicado en Cerebral Cortex avanza nuestra comprensión de la estructura del cerebro de los mamíferos.
El equipo basó sus investigaciones en nueve conjuntos de datos disponibles públicamente de siete especies: rata, tití, macaco, galago, mono búho, babuino y humano. Después de analizar las regiones corticales de cada una, la densidad de neuronas dentro de estas regiones sigue un patrón estándar: una distribución lognormal. Esto sugiere un principio organizativo fundamental que subyace a la densidad de neuronas en el cerebro de los mamíferos.
Una distribución lognormal es una distribución estadística caracterizada por una curva curva en forma de campana. Por ejemplo, esto surge al tomar la exponencial de una variable normalmente distribuida. Se diferencia de la distribución normal en varios aspectos. Más importante aún, la curva de la distribución normal es simétrica, mientras que la lognormal está sesgada con una cola gruesa.
Estos hallazgos son relevantes para el modelado preciso del cerebro. «Sobre todo porque la distribución de la densidad neuronal afecta la conectividad de la red», dice Sacha von Albata, jefa del grupo de neurociencia teórica en el Forschungszentrum Jülich y autora principal del artículo. “Por ejemplo, si la densidad de sinapsis es constante, las regiones con baja densidad de neuronas recibirán más sinapsis por neurona”, explica. Tales características también son relevantes para el diseño de tecnología inspirada en el cerebro, como el hardware neuromórfico.
«Además, dado que las regiones corticales a menudo se diferencian en función de la citoarquitectura, conocer la distribución de la densidad de las neuronas sería relevante para evaluar estadísticamente las diferencias entre las regiones y las ubicaciones de los límites entre las regiones», agrega van Albada.
Estos resultados sorprendentemente concuerdan con la observación de que muchas características cerebrales siguen una distribución lognormal. «Una de las razones por las que es tan común en la naturaleza es que surge cuando se toma el producto de muchas variables independientes», dice Alexander van Meeken, primer autor conjunto del estudio. En otras palabras, la distribución lognormal surge naturalmente como resultado de procesos multiplicativos, al igual que la distribución normal surge cuando se suman múltiples variables independientes.
«Usando un modelo simple, pudimos mostrar cómo la proliferación de neuronas durante el desarrollo conduce a las distribuciones de densidad de neuronas observadas», explica van Meegen.
Según el estudio, en principio, las estructuras organizativas a nivel de la corteza podrían ser subproductos del desarrollo o la evolución que no realizan ninguna función computacional; Pero el hecho de que se encuentren las mismas estructuras organizativas en muchas especies y en la mayoría de las regiones corticales sugiere que la distribución lognormal tiene algún propósito.
«No podemos estar seguros de cómo la distribución logarítmica normal de la densidad neuronal afecta la actividad cerebral, pero estaría asociada con una alta diversidad de redes, lo que es computacionalmente beneficioso», dice Aitor Morales-Gregorio, primer autor del estudio, citando trabajos anteriores. La diversidad en la conectividad cerebral promueve una comunicación eficiente. Además, las redes heterogéneas soportan un aprendizaje sólido y mejoran la capacidad de memoria de los circuitos neuronales.
Texto de Helen Mendes
Nota:
Distribución logarítmica ubicua de la densidad neuronal en la corteza cerebral de los mamíferos
Aitor Morales-Gregorio, Alexander van Meeken, Sacha J van Albada
Cerebral Cortex, volumen 33, número 16, 15 de agosto de 2023, páginas 9439–9449, https://doi.org/10.1093/cercar/bhad160
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