Las imágenes de alta resolución y el modelado por computadora en 3D muestran que las dendritas de las neuronas se tejen a través del espacio de una manera que equilibra su necesidad de conectarse con otras neuronas con los costos de hacerlo.
El descubrimiento, reportado en Nature Informes científicos El 27 de enero surgió cuando los investigadores buscaban comprender la naturaleza fractal de las neuronas como parte de un proyecto de la Universidad de Oregón para diseñar electrodos en forma de fractal para conectarse con las neuronas de la retina para abordar la pérdida de visión debido a enfermedades de la retina.
"El desafío en nuestra investigación ha sido comprender cómo las neuronas que queremos apuntar en la retina se conectarán a nuestros electrodos", dijo Richard Taylor, profesor y jefe del departamento de física de la UO. "Esencialmente, tenemos que engañar a losneuronas para que piensen que el electrodo es otra neurona al hacer que las dos tengan el mismo carácter fractal ".
Trabajando con colaboradores en la Universidad de Auckland y la Universidad de Canterbury en Nueva Zelanda, la microscopía confocal de neuronas en la región hipocampal del cerebro de una rata reveló una intrincada interacción de ramas que se tejen a través del espacio en múltiples escalas de tamaño antes de conectarse con otras neuronas., Dijo Taylor, planteó la pregunta, ¿por qué adoptar un patrón tan complicado?
Con la ayuda de la investigadora postdoctoral de la UO Saba Moslehi, los estudiantes de doctorado Julian H. Smith y Conor Rowland recurrieron al modelado 3D para explorar lo que sucede cuando manipulan las dendritas de más de 1.600 neuronas en formas no naturales, enderezándolas o rizándolas.hasta.
"Al distorsionar sus ramas y observar lo que sucede, pudimos demostrar que el tejido fractal de las ramas naturales está equilibrando la capacidad de las neuronas para conectarse con sus vecinas para formar circuitos eléctricos naturales mientras equilibra los costos de construcción y operación delos circuitos ", dijo Rowland.
Utilizando un análisis fractal conocido como técnica de recuento de cajas, los investigadores pudieron asignar dimensiones fractales, o valores D, que cuantifican las contribuciones relativas de las dendritas de escala gruesa y fina al patrón fractal de una neurona. Estos valores DTaylor dijo que será importante para optimizar los diminutos electrodos de su equipo para implantarlos en la parte posterior de los ojos para estimular las neuronas de la retina.
"Nuestros implantes tendrán que adaptarse a las ramas de tejido de las neuronas mediante una selección cuidadosa de sus valores D", dijo Taylor, miembro del Instituto de Ciencia de Materiales de la UO. "A diferencia de la construcción de una pista recta para que un piloto pueda aterrizar de manera eficiente, nuestros electrodostendrá que actuar como una pasarela de tejido para que las neuronas puedan conectarse sin cambiar su comportamiento ".
Los fractales de la naturaleza se benefician de cómo crecen a múltiples escalas, dijo Taylor, quien durante mucho tiempo ha recurrido a los fractales como bioinspiración. Si bien los árboles tienen la forma más reconocida de ramificación fractal, este trabajo, dijo, destaca cómo las neuronas son diferentes de los árboles..
"Mientras que el carácter fractal de los árboles se origina predominantemente en la distribución del tamaño de las ramas, las neuronas también utilizan la forma en que sus ramas se tejen a través del espacio para generar su carácter fractal", dijo Taylor.
Taylor, un becario de Cottrell del Consejo de Investigación para el Avance de la Ciencia, recibió una patente estadounidense de gran alcance en 2015 no solo por su desarrollo de implantes artificiales basados en fractales relacionados con la visión, sino también por todos los implantes que vinculan la actividad de señalización con los nervios paracualquier propósito en biología animal y humana.
Taylor y los coautores cerraron su artículo planteando la posibilidad de que los valores D de las redes neuronales puedan beneficiar la investigación sobre numerosas enfermedades relacionadas con el cerebro. Para la enfermedad de Alzheimer, dijo Taylor, los valores D podrían ser una medida para comprender las disminuciones en la conectividad entreneuronas.
"Muchas enfermedades dan como resultado la pérdida de conectividad, y los valores de las neuronas D pueden estar cayendo a medida que pasan a un estado patológico", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Oregon . Original escrito por Jim Barlow. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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