Comment les connexions synaptiques dans le cerveau forcent les cellules nerveuses à coordonner leur travail

Le deep learning — Science étonnante #27 (Juillet 2019).

Anonim

Une danse parfaitement synchronisée des neurones est ce qui nous donne le pouvoir de voir, d’entendre, de sentir, de bouger, de se souvenir et de réfléchir. Mais la chorégraphie ne peut réussir que s’il existe une communication efficace entre les danseurs. Cela seul est une raison suffisante pour étudier les relations entre les paires de neurones. Mais que se passe-t-il si plus de deux neurones participent à une danse? Stojan Jovanović et Prof. Dr. Stefan Rotter du Bernstein Center Freiburg (BCF) de l'Université de Fribourg et le Cluster of Excellence BrainLinks-BrainTools ont abordé cette question dans une nouvelle étude.

Leurs résultats ont été publiés dans la revue PLOS Computational Biology . En combinant des expériences de pensée mathématique et des simulations informatiques inspirées par la biophysique, les chercheurs ont réussi à étendre leurs idées sur des interactions par paires entre des neurones développés lors d’études antérieures à des corrélations de troisième ordre impliquant des interactions entre trois neurones. Les résultats jettent les bases d'une meilleure compréhension de l'activité des réseaux neuronaux dans le cerveau.

Les messages électrochimiques transmis par différents types de synapses permettent une communication efficace entre les neurones. Cependant, les moyens précis par lesquels le réseau de communication synaptique chorégraphie ce ballet neuronal sont largement inconnus. "Dans une expérience, il est seulement possible d'observer une fraction infime du nombre immense de neurones impliqués à un moment donné, pour des raisons purement techniques", explique Jovanović. Il est donc impossible de saisir l'interaction coordonnée de grandes masses de cellules dans le cerveau dans son intégralité, et les modèles mathématiques sont utiles pour obtenir des informations supplémentaires.

"Une théorie influente de l'apprentissage stipule que seuls les deux neurones qui communiquent via une synapse concrète doivent être pris en compte", explique M. Rotter. "Si l'activation du réseau les oblige à effectuer un certain pas de danse, la synapse est renforcée. Si le réseau les fait tomber du rythme, la synapse est affaiblie." Les chercheurs ont appliqué un modèle mathématique, le processus de Hawkes, pour déterminer quel rôle les "corrélations du troisième ordre" pourraient jouer dans ce contexte. Ils ont pu calculer la signification relative des relations entre trois neurones pour la dynamique du réseau. L'application de ces résultats à l'activité électrique mesurée expérimentalement de trois cellules nerveuses permet aux scientifiques de mieux caractériser la structure du réseau et peut-être même de dériver de nouvelles règles d'apprentissage synaptique dans le cerveau.