Hjernens evne til at behandle information er kendt for at være understøttet af indviklede forbindelser mellem forskellige neuronpopulationer. Et vigtigt mål med neurovidenskabsforskning har været at afgrænse de processer, som disse forbindelser påvirker informationsbehandlingen.
Forskere ved University of Padova, Max Planck Institute for Physics of Complex Systems og École Polytechnique Fédérale de Lausanne, udførte for nylig en undersøgelse, der havde til formål at forstå bidraget fra excitatoriske og hæmmende neuronpopulationer til hjernens kodning af information. Deres fund, der blev offentliggjort i Fysiske gennemgangsbreveviser, at informationsbehandling maksimeres, når aktiviteten af exciterende og inhiberende neuroner er afbalanceret.
“Vores forskning var inspireret af et grundlæggende spørgsmål i neurovidenskab: hvordan former strukturen af hjernen dens evne til at behandle information?” Giacomo Barzon, medforfatter til papiret, fortalte Medical Xpress. “Hjernen modtager og integrerer kontinuerligt sensoriske input, og neuroner handler ikke isoleret – de er en del af komplekse, tilbagevendende netværk. Et særligt spændende træk ved disse netværk er balancen mellem aktiviteten af excitatoriske og hæmmende neuroner, som er blevet observeret i forskellige hjerneområder.”
Det centrale mål med denne nylige undersøgelse fra Barzon og hans kolleger var at afgøre, om balancen mellem excitatoriske og hæmmende neuroner gør mere end at stabilisere neurale aktiviteter. Specifikt udforskede teamet muligheden for, at denne balance også optimerer informationsbehandling.
“Inspireret af adskillige eksperimentelle og teoretiske fund, der fremhæver betydningen af balancen mellem excitatoriske og hæmmende neuroner, analyserede vi en model, der fanger samspillet mellem disse to populationer og undersøgte-både analytisk og numerisk-deres respons på eksterne signaler,” forklarede Daniel M. Busiello, co-autor of papir. “Specifikt ved at anvende værktøjer til informationsteori afslørede vi en grundlæggende afvejning: neurale netværk, der er optimeret til nøjagtig kodning over lange tidsskalaer, kan være mindre lydhøre på hurtige ændringer i input.”
Ved at anvende matematiske og teoretiske tilgange til undersøgelse af informationsbehandling viste forskerne, at informationsbehandling er mest effektiv ved kanten af stabilitet, en kritisk tilstand, hvor aktiviteten af exciterende og hæmmende neuroner er afbalanceret. Deres resultater antyder, at finjusteringen af denne excitation-inhibitionsbalance ikke kun kunne stabilisere hjernens aktivitet, men også kunne spille en afgørende rolle i dens evne til optimalt at kode information.
“I vores undersøgelse var vi i stand til at vise fra et informationsteoretisk perspektiv, at interaktioner mellem excitation og hæmning er afgørende for at lade neurale populationer kode information om tidsvarierende eksterne signaler,” sagde Giorgio Nicoletti, medforfatter til papiret. “Dette er især interessant, fordi excitation-inhibitionsbalance er velkendt for at være en nøgleingrediens i reguleringen af neurale aktiviteter. Vores tilgang giver os mulighed for at kvantificere en sådan effekt med hensyn til information som en fysisk mængde.”
Dette nylige arbejde fra Barzon, Busiello og Nicoletti kunne åbne nye muligheder for studiet af informationsbehandling og dets underliggende neurale mekanismer. I deres næste studier planlægger forskerne at bygge videre på deres resultater ved hjælp af den samme tilgang til at studere mere komplekse hjerneforbindelsesstrukturer.
“I reelle neurale netværk er forbindelsen ikke statisk – det udvikler sig endvidere over tid, påvirket af både eksterne stimuli og intern netværksaktivitet,” tilføjede Barzon. “Denne dynamiske karakter af forbindelse kan muligvis spille en afgørende rolle i udformningen af, hvordan neurale populationer processer og koder for information, hvilket potentielt giver indsigt i, hvordan læring og adaptive egenskaber påvirker informationskodning i neurale systemer.”