پیروی نورون‌های مغز از یک الگوی ریاضی متمایز

به گزارش اس‌ای، پژوهشگرانی که در «پروژه مغز انسان» مشارکت می‌کنند، یک قانون ریاضی را شناسایی کرده‌اند که بر توزیع نورون‌ها در مغز ما حاکم است.

این قانون، نحوه توزیع نورون‌ها در بخش‌های مختلف مغز را پیش‌بینی می‌کند و می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا مدل‌های دقیقی برای درک نحوه عملکرد مغز و توسعه درمان‌های جدید برای بیماری‌های عصبی ایجاد کنند.

در دنیای شگفت انگیز آمار، اگر هر متغیر تصادفی پیوسته‌ای را در نظر بگیرید، لگاریتمِ آن متغیر، اغلب از آنچه به عنوان توزیع لاگ-نرمال شناخته می‌شود، پیروی می‌کند که با میانگین و انحراف استاندارد تعریف می‌شود و می‌توان آن را به صورت یک منحنی زنگ‌شکل با یک منحنی گسترده‌تر از آن چیزی که در یک توزیع معمولی می‌بینید، تجسم کرد.

توزیع لاگ-نرمال در نظریه احتمال، نوعی توزیع احتمال پیوسته برای یک متغیر تصادفی است که لگاریتم آن به صورت نرمال توزیع شده ‌است.

جمعیت در سراسر یک کشور اغلب به طور منطقی در چند شهر بسیار بزرگ و بسیاری از شهرها و روستاهای کوچک توزیع می‌شود. ساختار و عملکرد مغز نیز به تعداد و آرایش نورون‌ها بستگی دارد و چگالی نورون‌ها در نواحی مختلف و لایه‌های قشر مغز به طور قابل توجهی متفاوت است.

ساشا ون آلبادا عصب‌شناس مرکز پژوهشی یولیش می‌گوید: توزیع تراکم نورون‌ها بر اتصال شبکه تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، اگر چگالی سیناپس‌ها ثابت باشد، مناطقی با تراکم نورون پایین‌تر، سیناپس‌های بیشتری را در هر نورون دریافت خواهند کرد.

توزیع آماری تراکم نورون‌ها هنوز تا حد زیادی ناشناخته مانده است، اگرچه تحقیقات مطمئناً اکتشافات شگفت انگیزی در مورد بافت‌های سلولی مغز ما ارائه کرده است.

این تیم برای انجام تحقیقات خود از ۹ مجموعه داده منبع‌باز استفاده کرد که هفت گونه مختلف شامل موش‌ها، میمون‌های ماکاک، گالاگو(شب‌دوست)، میمون‌های شب، بابون و انسان را پوشش می‌داد. هنگامی که تراکم نورون‌ها در مناطق مختلف قشر با هم مقایسه شدند، یک الگوی مشترک از توزیع لاگ-نرمال پدیدار شد.

نویسندگان در مقاله خود نوشتند: نتایج ما با این مشاهدات مطابقت دارد که به طور شگفت انگیزی بسیاری از ویژگی‌های مغز از توزیع‌های منطقی تبعیت می‌کنند.

توزیع لاگ-نرمال، درست مانند توزیع نرمال یک نتیجه طبیعی از جمع کردن بسیاری از متغیرهای مستقل، نتیجه‌ی طبیعی فرآیندهایی است که تکثیر می‌شوند.

پژوهشگران می‌گویند، نحوه ساختار قشر مغز می‌تواند محصول جانبی توسعه یا تکامل باشد که ربطی به محاسبات ندارد. اما تحقیقات قبلی نشان می‌دهند که تنوع شبکه عصبی مغز چیزی بیش از یک محصول جانبی است و ممکن است به طور فعال به حیوانات در یادگیری در محیط‌های متغیر کمک کند.

این واقعیت که سازماندهی یکسانی در گونه‌های مختلف و در بیشتر قسمت‌های قشر مغز دیده می‌شود، نشان می‌دهد که توزیع لاگ-نرمال برای چیزی استفاده می‌شود.

آیتور مورالس گرگوریو یکی از نویسندگان ارشد این پژوهش و متخصص علوم اعصاب محاسباتی در مرکز پژوهشی یولیش توضیح می‌دهد: ما نمی‌توانیم مطمئن باشیم که توزیع منطقی تراکم‌های نورون چگونه بر عملکرد مغز تأثیر می‌گذارد، اما احتمالاً با ناهمگونی بالای شبکه مرتبط است که ممکن است از نظر محاسباتی مفید باشد.

دانشمندان امیدوارند این کشف، چگونگی ذخیره و بازیابی اطلاعات و همچنین نحوه کسب دانش جدید را روشن کند.

تلاش مداوم برای یافتن درمان‌های مؤثر برای بیماری‌های مغزی می‌تواند راه را برای ایجاد داروهای جدیدی که مناطق خاصی از مغز را هدف قرار می‌دهند، هموار کند.

تلاش 10 ساله «پروژه مغز انسان» برای ایجاد یک زیرساخت تحقیقاتی مشترک برای تقویت علوم اعصاب، محاسبات و پزشکی مرتبط با مغز در حال پایان است و در این راه اکتشافات جالبی را به ما ارائه کرده است.

این مطالعه در مجله Cerebral Cortex منتشر شده است.