Investigadores de Human Brain Project de Forschungszentrum Jülich y de la Universidad de Colonia (Alemania) han identificado cómo se distribuyen las neuronas a través y dentro de las áreas corticales en el cerebro de los mamíferos. Han revelado un principio organizativo fundamental de la citoarquitectura cortical: la distribución logarítmica normal ubicua de las densidades neuronales.
El número de neuronas y su disposición espacial juegan un papel crucial en la configuración de la estructura y función del cerebro. Sin embargo, a pesar de la riqueza de datos citoarquitectónicos disponibles, las distribuciones estadísticas de densidades neuronales permanecen en gran medida sin describir. El nuevo estudio de HBP, publicado en Cerebral Cortex, avanza nuestra comprensión de la organización del cerebro de mamíferos.
El equipo basó sus investigaciones en nueve conjuntos de datos disponibles públicamente de siete especies: ratón, tití, macaco, galago, mono búho, babuino y humano. Después de analizar las áreas corticales de cada una, encontraron que las densidades neuronales dentro de estas áreas siguen un patrón consistente – una distribución logarítmica normal. Esto sugiere un principio organizativo fundamental que subyace a las densidades de las neuronas en el cerebro de los mamíferos.
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Una distribución logarítmica normal es una distribución estadística caracterizada por una curva sesgada en forma de campana. Surge, por ejemplo, cuando se toma la exponencial de una variable normalmente distribuida. Se diferencia de una distribución normal de varias maneras. Lo más importante es que la curva de una distribución normal es simétrica, mientras que la logarítmica normal es asimétrica con una cola pesada.
Estos hallazgos son relevantes para modelar el cerebro con precisión. «No menos importante porque la distribución de las densidades neuronales influye en la conectividad de la red», dice Sacha van Albada, líder del grupo de Neuroanatomía Teórica en Forschungszentrum Jülich y autor principal del artículo. «Por ejemplo, si la densidad de las sinapsis es constante, las regiones con menor densidad neuronal recibirán más sinapsis por neurona», explica. Tales aspectos también son relevantes para el diseño de tecnología inspirada en el cerebro como el hardware neuromórfico.
«Además, como las áreas corticales se distinguen a menudo sobre la base de la citoarquitectura, conocer la distribución de las densidades neuronales puede ser relevante para evaluar estadísticamente las diferencias entre áreas y la ubicación de los límites entre áreas», van Albada añade.
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Estos resultados están de acuerdo con la observación de que sorprendentemente muchas características del cerebro siguen una distribución logarítmica normal. «Una razón por la que puede ser muy común en la naturaleza es porque surge al tomar el producto de muchas variables independientes», dice Alexander van Meegen, primer autor conjunto del estudio. En otras palabras, la distribución logarítmica normal surge de forma natural como resultado de procesos multiplicativos, de manera similar a cómo surge la distribución normal cuando se suman muchas variables independientes.
«Usando un modelo simple, pudimos mostrar cómo la proliferación multiplicativa de las neuronas durante el desarrollo puede conducir a las distribuciones de densidad neuronal observadas» explica van Meegen.
Según el estudio, en principio, las estructuras organizativas de toda la corteza podrían ser subproductos del desarrollo o la evolución que no sirven a ninguna función computacional; pero el hecho de que se puedan observar las mismas estructuras organizativas para varias especies y en la mayoría de las áreas corticales sugiere que la distribución logarítmica normal sirve para algún propósito.
«No podemos estar seguros de cómo la distribución logarítmica normal de las densidades neuronales influirá en la función cerebral, pero es probable que esté asociada con una alta heterogeneidad de la red, que puede ser computacionalmente beneficioso», dice Aitor Morales-Gregorio, primer autor del estudio, citando trabajos anteriores que sugieren que la heterogeneidad en la conectividad del cerebro puede promover la transmisión eficiente de la información. Además, las redes heterogéneas soportan un aprendizaje robusto y mejoran la capacidad de memoria de los circuitos neuronales.
Texto de Helen Mendes
Referencia:
Ubiquitous lognormal distribution of neuron densities in mammalian cerebral cortex
Aitor Morales-Gregorio, Alexander van Meegen, Sacha J van Albada
Cerebral Cortex, Volume 33, Issue 16, 15 August 2023, Pages 9439–9449, https://doi.org/10.1093/cercor/bhad160
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