Rijke ervaringen verbeteren de hersenverbinding

samenvatting: Een nieuwe studie onthult de mate waarin ervaringen de connectiviteit van de hersenen kunnen beïnvloeden. De studie gebruikte een neurochip met meer dan 4.000 elektroden om de neurale activiteit in de hersenen van muizen te volgen.

De resultaten toonden aan dat muizen die in een verrijkte omgeving leefden significant meer onderling verbonden neuronen hadden dan muizen die in een standaardomgeving leefden. Deze bevindingen geven niet alleen inzicht in de plasticiteit van de hersenen, maar ze hebben ook potentiële toepassingen in kunstmatige intelligentie.

Belangrijkste feiten:

1. Een team van onderzoekers gebruikte een neurochip om de neurale activiteit in de hersenen van muizen te volgen en ontdekte dat de verrijkte omgeving de connectiviteit in neuronen aanzienlijk verbeterde.
2. Het onderzoek biedt baanbrekend inzicht in hersenplasticiteit en grootschalige neurale netwerken.
3. De bevindingen van de studie hebben potentiële implicaties voor kunstmatige intelligentie, aangezien de inzichten helpen bij het informeren van nieuwe algoritmen voor machine learning.

bron: DZNE

De effecten van deze ervaringen op de connectiviteit van de hersenen zijn al een tijdje bekend, maar een baanbrekende studie door onderzoekers van het Duitse Centrum voor Neurodegeneratieve Ziekten (DZNE) en TUD Dresden University of Technology laat nu zien hoe groot deze effecten werkelijk zijn.

De bevindingen bij muizen bieden ongekende inzichten in de complexiteit van grootschalige neurale netwerken en hersenplasticiteit. Bovendien zouden ze de weg kunnen effenen voor nieuwe op de hersenen geïnspireerde AI-methoden.

De bevindingen, gebaseerd op innovatieve “brain-on-a-chip”-technologie, worden gepubliceerd in het Scientific Journal Biosensoren en bio-elektronica.

De onderzoekers uit Dresden onderzochten de vraag hoe rijke ervaring hersencircuits beïnvloedt. Hiervoor gebruikten ze een zogenaamde neurochip met meer dan 4.000 elektroden om de elektrische activiteit van hersencellen te detecteren. Dit innovatieve platform maakte het mogelijk om het ‘vuur’ van duizenden neuronen tegelijk te registreren.

Het onderzochte gebied – veel kleiner dan de grootte van een menselijke vingernagel – besloeg de hele hippocampus van een muis. Deze hersenstructuur, die door mensen wordt gedeeld, speelt een cruciale rol bij leren en geheugen, waardoor het een belangrijk doelwit is voor dementie zoals de ziekte van Alzheimer.

In hun studie vergeleken de wetenschappers hersenweefsel van muizen, die op een andere manier waren grootgebracht. Terwijl een groep knaagdieren werd grootgebracht in standaardkooien, die geen speciale prikkels opleverden, werden de andere groepen gehuisvest in een “verrijkte omgeving” met herschikbaar speelgoed en doolhofachtige plastic buizen.

“De resultaten overtroffen onze verwachtingen ver”, zei Dr. Haider Amin, hoofdwetenschapper van het onderzoek. Amin, een expert in neuro-elektronica en computationele neurowetenschappen, leidt een onderzoeksgroep bij DZNE. Hij en zijn team ontwikkelden de technologie en analysetools die in deze studie werden gebruikt.

Simpel gezegd zou je kunnen zeggen dat de neuronen in muizen uit de verrijkte omgeving meer met elkaar verbonden waren dan die in normale huisvesting.Ongeacht naar welke parameter we keken, de rijkere ervaring verbeterde letterlijk de verbindingen in de neurale netwerken.

“Deze bevindingen suggereren dat het leiden van een actief en divers leven de hersenen op geheel nieuwe gronden vormt.”

Ongekend inzicht in hersennetwerken

Professor Gerd Kemperman, die de studie mede leidde en heeft gewerkt aan de vraag hoe fysieke en cognitieve activiteit de hersenen helpt veerkracht te vormen tegen veroudering en neurodegeneratieve ziekten, getuigt: “Alles wat we tot nu toe op dit gebied weten, is ontleend aan studies met behulp van enkele elektroden of technieken.” Beeldvorming zoals MRI.

“De spatio-temporele resolutie van deze technieken is veel grover dan onze aanpak. Hier kunnen we letterlijk het circuit zien lopen naar de schaal van enkele cellen. We hebben geavanceerde computationele hulpmiddelen toegepast om veel details over de dynamiek van de netwerk in ruimte en tijd uit onze opnamen.”

“We hebben een schat aan gegevens ontdekt die de voordelen aantonen van een brein gevormd door rijke ervaring. Dit maakt de weg vrij voor het begrijpen van de rol van plasticiteit en reservevorming in de strijd tegen neurodegeneratieve ziekten, met name met betrekking tot nieuwe preventieve strategieën, “zei professor Kemperman, die naast onderzoeker bij DZNE ook behoort tot het Center for Rejuvenation Therapies Dresden (CRTD) aan de TU Dresden.

“Dit zal ook helpen om inzicht te krijgen in ziekteprocessen die verband houden met neurodegeneratie, zoals disfuncties van hersennetwerken.”

potentieel in door de hersenen geïnspireerde kunstmatige intelligentie

“Door te onthullen hoe ervaringen het netwerk en de dynamiek van de hersenen vormen, verleggen we niet alleen de grenzen van hersenonderzoek”, zegt dr. Amin.

“Kunstmatige intelligentie is geïnspireerd op hoe het brein informatie berekent. Onze tools en de inzichten die ervoor zorgen dat deze informatie kan worden gegenereerd, kunnen dus de weg vrijmaken voor nieuwe machine learning-algoritmen.”

Over deze zoektocht naar nieuws over neuroplasticiteit

auteur: Marcus Nitzert
bron: DZNE
communicatie: Marcus Nitzert – DZNE
afbeelding: Afbeelding gecrediteerd aan Neuroscience News

Oorspronkelijke zoekopdracht: vrije toegang.
“Een op CMOS gebaseerde biosensor met hoge resolutie voor het beoordelen van de dynamiek van het hippocampuscircuit in proefafhankelijke plasticiteitDoor Haider Amin et al. Biosensoren en bio-elektronica

een samenvatting

Een op CMOS gebaseerde biosensor met hoge resolutie voor het beoordelen van de dynamiek van het hippocampuscircuit in proefafhankelijke plasticiteit

Experimentele rijkdom creëert veranderingen op weefselniveau en synaptische plasticiteit wanneer patronen ontstaan ​​uit de ritmische spatiotemporele activiteit van grote, onderling verbonden neuronale aggregaties.

Ondanks vele experimentele en computationele benaderingen op verschillende schalen, blijft het exacte effect van ervaring op computerdynamiek op netwerkniveau ontoegankelijk vanwege het ontbreken van een breed toepasbare scoremethodologie.

Hier demonstreren we een grootschalig, multisite hybride hersencircuit op een CMOS-gebaseerde biosensor met een ongekende spatiotemporele resolutie van 4.096 micro-elektroden, waardoor gelijktijdige elektrofysiologische beoordeling mogelijk is over volledige hippocampale en corticale subnetwerken van ratten onder omgevingsrijke (ENR) en controleomstandigheden. behuizing (SD).

Uitgerust met verschillende computationele analyses, onthult ons platform de effecten van omgevingsverrijking op lokale en globale spatiotemporele neurale dynamiek, schietsynchronisatie, topologische netwerkcomplexiteit en neuraal netwerk op schaal.

Onze resultaten identificeren de duidelijke rol van eerdere experimenten bij het verbeteren van multidimensionale codering gevormd door neurale ensembles, fouttolerantie en veerkracht tegen willekeurige storingen in vergelijking met standaardomstandigheden.

Het bereik en de diepte van deze effecten benadrukken de cruciale rol van grootschalige biosensoren met hoge dichtheid om nieuw inzicht te verschaffen in computationele dynamiek en informatieverwerking in omstandigheden van multimodale en ervaringsafhankelijke fysiologische plasticiteit en hun rol in hogere hersenfuncties.

Kennis van deze grootschalige dynamiek kan de ontwikkeling van biologisch plausibele computationele modellen en computationele AI-netwerken inspireren en door de hersenen geïnspireerde neurale computers uitbreiden naar nieuwe toepassingen.