Intrinsic biophysical diversity decorrelates neuronal firing while increasing information content : Nature Neuroscience : Nature Publishing Group

Intrinsic biophysical diversity decorrelates neuronal firing while increasing information content
Krishnan Padmanabhan& Nathaniel N Urban

Journal name: Nature Neuroscience
Year published:(2010)
DOI:
doi:10.1038/nn.2630
Received28 June 2010
Accepted28 July 2010
Published online29 August 2010

Abstract
Although examples of variation and diversity exist throughout the nervous system, their importance remains a source of debate. Even neurons of the same molecular type have notable intrinsic differences. Largely unknown, however, is the degree to which these differences impair or assist neural coding. We examined the outputs from a single type of neuron, the mitral cells of the mouse olfactory bulb, to identical stimuli and found that each cell's spiking response was dictated by its unique biophysical fingerprint. Using this intrinsic heterogeneity, diverse populations were able to code for twofold more information than their homogeneous counterparts. In addition, biophysical variability alone reduced pair-wise output spike correlations to low levels. Our results indicate that intrinsic neuronal diversity is important for neural coding and is not simply the result of biological imprecision.

open here please:
Intrinsic biophysical diversity decorrelates neuronal firing while increasing information content : Nature Neuroscience : Nature Publishing Group





NEUROLOGÍA
Actualidad Ultimas noticias - JANOes y agencias -
La diversidad neuronal es clave para asegurar el buen funcionamiento del cerebro
JANO.es y agencias · 30 Agosto 2010 11:15

Según científicos estadounidenses, es esencial en cómo las neuronas procesan estímulos complejos y la información codificada

Dos neuronas nunca son exactamente iguales. Pero no es el tamaño o la forma lo que diferencia a una neurona de otra, sino su forma de responder a los estímulos, según ha descubierto un grupo de investigadores de la Universidad Carnegie Mellon (Estados Unidos).

Este trabajo, publicado en Nature Neuroscience, el primero que analiza la función de la diversidad neuronal, ha descubierto que esta diversidad es clave para el funcionamiento cerebral general y en cómo las neuronas procesan estímulos complejos y la información codificada.

Según el Prof. Nathan N. Urban, jefe del Departamento de Ciencias Biológicas de la citada universidad, “los neurocientíficos reconocen, a nivel intuitivo, la variabilidad entre neuronas”.

“Sin embargo, lo hemos barrido debajo de la alfombra porque no considerábamos -dice- que la diversidad pueda ser una característica”. “Nosotros quisimos reconsiderar esta noción. Quizá esta diversidad es importante, puede que sirva para otras funciones”, declara.

El cerebro humano podría tener más de 100.000 millones de neuronas, que pueden ser de diferentes tipos. Mientras que las neuronas de un mismo tipo tienen estructuras similares y, como grupo, contribuyen a realizar tareas similares, cada neurona en sí misma dentro de un grupo actúa en respuesta a sutiles diferencias en los estímulos que llegan.

Según Urban, “cuando pensamos en los chips de un ordenador, la variabilidad de hardware puede ser muy destructiva”. “Los fabricantes emplean mucho tiempo y fondos asegurándose de que cada procesador en un chip es idéntico”.

“El cerebro es considerado como el ordenador más sofisticado que existe. Estamos intrigados con la idea de que el cerebro pueda usar la confusa, compleja naturaleza de su 'hardware' biológico para funcionar de forma más eficiente”, indica.

Urban y el estudiante Krishnan Padmanabhan, ambos miembros del Departamento de Ciencias Biológicas de la CMU y del Centro de la Universidad de Pittsburgh para las Bases Neuronales de la Cognición, probaron las respuestas de neuronas solas a estímulos complejos.

Colocaron una sonda eléctrica dentro de neuronas excitatorias, denominadas células mitrales, y las expusieron a complejos estímulos sonoros controlados por ordenador. El objetivo era determinar cómo respondía al estímulo cada neurona. De las docenas de neuronas que probaron, ni siquiera dos tuvieron exactamente la misma reacción.

Ante estos resultados, los investigadores se preguntaron si las neuronas estaban dando una complicada versión de una respuesta simple o si cada una estaba proporcionando diferentes piezas de información sobre el estímulo.

Para comprobarlo, utilizaron una herramienta que les permitió determinar qué característica del estímulo causa la respuesta de cada neurona. Descubrieron que algunas respondían a los cambios rápidos en el estímulo y que otras lo hacían ante cambios más lentos. Otras neuronas reaccionaban cuando la entrada de la señal cambiaba su ritmo.

Los investigadores analizaron la información contenida en los resultados obtenidos en los diversos grupos de neuronas que se hicieron y los compararon con los de grupos de neuronas más parecidas. Vieron que los grupos heterogéneos de neuronas transmitieron el doble de información sobre los estímulos que el grupo homogéneo.

Para Urban, esto demuestra que la diversidad es “un beneficio intrínseco”, pues una población en la que cada miembro es algo diferente a los otros, en términos de lo que puede hacer, “es una población más eficiente”.

Además de su papel en la codificación de información, los investigadores creen que la diversidad neuronal también podría jugar un papel importante en desórdenes neurológicos como la epilepsia, el Parkinson o la esquizofrenia. En estas enfermedades se da una alteración en la sincrónica y rítmica respuesta neuronal.

En la epilepsia y el Parkinson, diferentes grupos de neuronas se disparan simultáneamente, causando ataques y temblores. En la esquizofrenia, algunas neuronas presentan una habilidad menor para coordinar su respuesta en ciertas situaciones, como las tareas que requieren una atención prolongada. Cambios en la diversidad de la población neuronal pueden alterar la facilidad con la que las neuronas entran en estos rítmicos patrones de respuesta.

Ahora, quieren averiguar cómo se consigue esta diversidad neuronal, si las neuronas de un determinado tipo aparecen en la misma etapa del desarrollo, con muchas de ellas saliendo de la misma célula progenitora. Urban espera descubrir cómo se diferencian las neuronas durante el desarrollo, qué proteínas están implicadas y si algún tipo de rutina o elemento ayuda a impulsar esta diversidad.



Nature Neuroscience 2010;doi:10.1038/nn.2630
Intrinsic biophysical diversity decorrelates neuronal firing while increasing information content : Nature Neuroscience : Nature Publishing Group

Carnegie Mellon University
Carnegie Mellon University

Nature Neuroscience
Home : Nature Neuroscience


Actualidad Ultimas noticias - JANOes y agencias - La diversidad neuronal es clave para asegurar el buen funcionamiento del cerebro - JANO.es - ELSEVIER