Le cerveau ne se fonde pas sur random-câblage, mais les réseaux de neurones auto-organisés pour traiter l'information visuelle
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| Aléatoirement filaire? Un microscope à fluorescence révèle le réseau largement aléatoire, que les neurones se forment dans une boîte de culture. Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par des chercheurs du MPI pour Dynamics et l'auto-organisation, cherché à savoir si les cellules nerveuses dans le fil du cerveau au hasard |
Notre cerveau est une machine mystérieuse. Des milliards de cellules nerveuses sont connectées de telle sorte qu'elles stockent des informations aussi efficacement que les livres sont stockés dans une bibliothèque bien organisé. À ce jour, de nombreux détails restent floues, par exemple l'ensemble des règles qui régissent les connexions entre les cellules nerveuses et l'organisation des informations qui y sont. Une équipe internationale dirigée par des scientifiques de l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation de Göttingen a maintenant un éclairage nouveau sur ces questions de longue date et a constaté que les réseaux ne sont pas régis par hasard. Certains scientifiques envisagent cette possibilité pour l'organisation du cerveau, parce que les réseaux connectés au hasard fonctionnent bien dans des applications informatiques. Pour tester l'hypothèse de câblage aléatoire, l'équipe a examiné si le cerveau utilise des connexions aléatoires pour traiter des stimuli visuels. À cette fin, ils ont calculé les prévisions qui reposent sur l'hypothèse de câblage aléatoire et comparent les résultats avec les mesures de précision de l'architecture corticale chez divers mammifères. Les résultats: aléatoire connexions ne suffisent pas à expliquer la disposition observée du cerveau. Les scientifiques concluent que les connexions initialement aléatoires dans le cortex visuel sont réorganisés pour une mise en page déterminée avec précision en utilisant l'auto-organisation. Le câblage au hasard, à la fin, joue un petit rôle.
Les cellules nerveuses dans le cerveau humain sont densément interconnectées et forment un maillage apparemment impénétrable. Un millimètre cube de tissu cérébral contient plusieurs kilomètres de fils. Une fraction de ce câblage peut être régie par des mécanismes aléatoires, parce que les réseaux aléatoires pourraient au moins théoriquement traiter des informations très bien. Considérons le système visuel: Dans la rétine, plusieurs millions de cellules nerveuses fournissent des informations pour plus de 100 millions de cellules dans le cortex visuel. Le cortex visuel est l'une des premières régions du cerveau, pour traiter les informations visuelles. Dans cette zone du cerveau, diverses caractéristiques que l'orientation spatiale, la couleur et la taille des stimuli visuels sont traités et représentés. La façon dont l'information est envoyée peut être comparable à une bibliothèque, dans laquelle les livres peuvent plus facilement trouver si elles sont triées par ordre alphabétique non seulement par titre, mais aussi par genre et par auteur. Dans une bibliothèque, des livres sont répartis à différentes étagères, mais généralement pas au hasard. De même, les différentes facettes de la perception visuelle sont représentées séparément dans le cortex visuel. Et l'organisation de cette représentation pourrait être aléatoire. La modélisation mathématique a suggéré que l'information distribuée au hasard est très bien adapté aux caractéristiques distinctes, en fait, de mieux en mieux le plus de fonctionnalités sont concernés.
Cellules voisines se comportent de façon similaire
"Il y a deux ans, les neurobiologistes ont montré l'existence et la pertinence des connexions aléatoires dans les systèmes nerveux pour le système olfactif de la mouche des fruits», explique Manuel Schottdorf, chercheur au MPI pour Dynamics et l'auto-organisation. Que le cerveau des mammifères tire profit de schémas de connexion aléatoires, ou si ses réseaux forment auto-organisée a été claire et démêlage le spaghetti de câble est encore hors de portée. Ainsi, l'équipe de scientifiques Max Planck conduire par Fred Loup avec des collègues de l'Université Rockefeller à New York et à l'Université Duke en Caroline du Nord a utilisé des méthodes alternatives: Les scientifiques ont analysé les fonctions des circuits dans le cortex visuel et déduire leur structure.
Neurobiologistes savent que les cellules nerveuses dans cette région du cerveau traite, entre autres, l'orientation des bords des objets. Chaque cellule préfère une orientation différente d'un tel bord, par exemple oblique ou cardinal. Les exceptions sont les points singuliers, appelés moulinets, autour de laquelle les orientations préférées des cellules sont disposées comme les winglets d'un moulin à vent.
Connexions aléatoires et des calculs exacts
Les scientifiques de Göttingen calculent le nombre et la distribution de ces points, qui résulterait si l'hypothèse de câblage aléatoire était correcte. Ils ont constaté que ces prédictions sont en désaccord avec la distribution observée des moulinets, que les scientifiques dérivées de mesures de précision effectuées par les expérimentateurs de l'Université Duke. Entre autres, les scientifiques ont observé que, dans un certain volume de cellules nerveuses, il y a moins de moulinets que l'hypothèse de câblage aléatoire prédit. Ainsi les connexions aléatoires ne peuvent ainsi pas tenir compte de la mise en page de pinwheel observé. Sensiblement, modèles, dans lesquels ces dispositions forment à travers l'auto-organisation prédisent le nombre et l'arrangement spatial complexe très précisément.
Les scientifiques n'excluent la possibilité que dans le développement précoce du cerveau, les connexions aléatoires pourraient jouer un rôle. Mais grâce à l'expérience visuelle et réorganisation dynamique des connexions, le cerveau lui-même rebranche à un degré tel que seulement peu qui reste du câblage initial. «Notre étude montre que l'auto-organisation des circuits neuronaux dans le cerveau est la théorie la plus plausible de la structure détaillée des circuits dans le système visuel», explique Wolfgang Keil, qui est diplômé de l'IPM pour Dynamics et l'auto-organisation et travaille actuellement à Université Rockefeller. Ce résultat est cohérent avec l'observation que les mammifères, y compris nous les êtres humains, apprennent à voir après la naissance. Les réseaux aléatoires, qui peuvent exister au début, probablement ne suffisent pas pour la vision complète.