Aturan matematika ditemukan di balik distribusi neuron di otak kita

Para peneliti dari Proyek Otak Manusia di Forschungszentrum Jülich dan Universitas Cologne (Jerman) telah menemukan bagaimana kepadatan neuron didistribusikan ke seluruh dan di dalam area kortikal di otak mamalia. Mereka mengungkapkan prinsip pengorganisasian mendasar dari arsitektur sitokortikal: distribusi kepadatan neuron log-normal di mana-mana.

Jumlah neuron dan penataan ruangnya berperan penting dalam membentuk struktur dan fungsi otak. Namun, meskipun terdapat banyak data sitoarsitektural yang tersedia, distribusi statistik kepadatan neuron sebagian besar masih belum dijelaskan. Studi baru dari Human Brain Project (HBP), dipublikasikan di jurnal korteks serebralmemajukan pemahaman kita tentang bagaimana otak mamalia diatur.

Analisis kumpulan data dan distribusi lognormal

Sembilan dari tujuh kumpulan data yang tersedia untuk umum jenis (tikus, marmoset, kera, galago, monyet burung hantu, babon, dan manusia) menjadi dasar penyelidikan tim peneliti. Setelah menganalisis masing-masing area kortikal, mereka menemukan bahwa kepadatan neuron di area ini mengikuti pola yang konsisten – distribusi normal logaritmik. Hal ini menunjukkan adanya prinsip pengorganisasian mendasar yang mendasari kepadatan neuron di otak mamalia.

Distribusi lognormal adalah distribusi statistik yang ditandai dengan kurva berbentuk lonceng yang miring. Hal ini muncul, misalnya, ketika fungsi eksponensial dari variabel berdistribusi normal dihitung. Ini berbeda dari distribusi normal dalam beberapa hal. Yang terpenting, kurva distribusi normal adalah simetris, sedangkan kurva distribusi lognormal adalah asimetris dan memiliki ekor yang kuat.

Implikasi dan relevansi hasil

Temuan ini sangat penting untuk pemodelan otak yang akurat. “Salah satu penyebabnya adalah distribusi kepadatan neuron mempengaruhi konektivitas jaringan,” kata Sacha van Albada, kepala kelompok Theoretical Neuroanatomy di Forschungszentrum Jülich dan penulis senior penelitian tersebut. “Misalnya, jika kepadatan sinapsis konstan, daerah dengan kepadatan neuron lebih rendah akan mendapatkan lebih banyak sinapsis per neuron,” jelasnya. Aspek-aspek tersebut juga relevan untuk desain teknologi yang diilhami otak seperti perangkat keras neuromorfik.

“Selain itu, karena area kortikal sering kali dibedakan berdasarkan sitoarsitektur, mengetahui distribusi kepadatan neuron dapat relevan untuk menilai perbedaan antar area secara statistik dan lokasi batas antar area,” tambah van Albada.

Memahami distribusi lognormal pada fitur otak

Hasilnya konsisten dengan pengamatan sebelumnya bahwa sejumlah fitur otak mengikuti distribusi log-normal. “Salah satu alasan mengapa hal ini sangat umum terjadi di alam adalah karena hal ini terbentuk ketika Anda mengambil produk dari banyak variabel independen,” kata Alexander van Meegen, salah satu penulis studi tersebut. Dengan kata lain, distribusi log-normal muncul secara alami sebagai hasil proses perkalian, serupa dengan distribusi normal yang muncul ketika banyak variabel independen dijumlahkan.

“Dengan menggunakan model sederhana, kami dapat menunjukkan bagaimana proliferasi multiplikatif neuron selama perkembangan dapat mengarah pada distribusi kepadatan neuron yang diamati,” jelas van Meegen.

Menurut penelitian tersebut, struktur organisasi di seluruh korteks pada prinsipnya bisa menjadi produk sampingan dari perkembangan atau evolusi yang tidak memiliki fungsi komputasi; tetapi fakta bahwa struktur organisasi yang sama dapat diamati pada beberapa spesies dan di sebagian besar wilayah kortikal menunjukkan bahwa distribusi log-normal mempunyai tujuan tertentu.

“Kami tidak dapat memastikan bagaimana distribusi kepadatan neuron log-normal akan mempengaruhi fungsi otak, namun kemungkinan besar akan dikaitkan dengan heterogenitas jaringan yang tinggi, yang mungkin menguntungkan secara komputasi,” kata Aitor Morales-Gregorio, penulis pertama studi tersebut, mengutip penelitian sebelumnya Hal ini menunjukkan bahwa heterogenitas dalam konektivitas otak dapat mendorong transmisi informasi yang efisien. Selain itu, jaringan heterogen mendukung pembelajaran yang kuat dan meningkatkan kapasitas memori sirkuit saraf.

Referensi: “Distribusi log-normal kepadatan neuron di korteks serebral mamalia” oleh Aitor Morales-Gregorio, Alexander van Meegen, dan Sacha J van Albada, 6 Juli 2023, korteks serebral.
DOI: 10.1093/cercor/bhad160