Det är väletablerat att synapsbildning involverar mycket selektiva kemospecifika mekanismer, men hur neuronarbors är placerade innan synapsbildning förblir oklart. Med hjälp av 3D-rekonstruktioner av 298 neokortikala celler av olika typer (inklusive bokorg, liten korg, stor korg, bitufted, pyramidal, och Martinotti celler), konstruerade vi en strukturell modell av en kortikal mikrokrets, där celler av olika typer var oberoende och slumpmässigt placerade. Vi jämförde positionerna för fysiska appositioner till följd av den tillfälliga överlappningen av axonala och dendritiska arbor i modellen (statistiska strukturella konnektivitet) med positionerna för putativa funktionella synapser (funktionell synapsisk konnektivitet) i 90 synapsiska anslutningar rekonstruerade från kortikala skivor. Sammantaget fann vi att statistisk konnektivitet förutspådde i genomsnitt 74 ± 2,7 % (genomsnitt ± SEM) synapslokaliseringar för nio typer av kortikala anslutningar. Detta fynd tyder på att kemospecifika attraktiva och motbjudande mekanismer i allmänhet inte resulterar i parvis specifik anslutning. I vissa fall stämmer dock inte de förutsagda distributionerna överens exakt, vilket tyder på att kemospecifik styrning och anpassning av arbor kan förekomma för vissa typer av anslutningar. Detta fynd tyder på att slumpmässig anpassning av axonala och dendritiska arbors ger en tillräcklig grund för specifik funktionell anslutning för att uppstå i lokala neurala mikrokretsar. En bred skala av molekylära signalmekanismer verkar för att bilda neokortikala skikt (1, 2), fastställa riktlinjer för neuroner att positionera sig själva och växa sina axonala och dendritiska bors (3, 4), forma morfologier av olika typer av neuroner (5), vägleda input axons till specifika lager (6), utlösa differentiering och klustererade arborizations av axonal arbors (7), prune axonal arbors på ett aktivitetsberoende sätt (8), vägleda axonal tillväxt längs axon initialsegmentet (9), och selektivt bilda synapser mellan specifika typer av neuroner (10-12). Molekylära mekanismer bidrar också till den aktivitetsaktiverade bildningen av synapser mellan specifika neuronerpar (13). Mekanismerna som bestämmer denna selektiva förbindelse har varit föremål för aktiv debatt i över ett århundrade (3, (14) (15) (17), med förslag som sträcker sig från idén om "kemiska relationer" mellan anslutna neuroner i Langleys arbete (18) till "kemoaffinitetshypotesen" (idén att exakt synapspositionering specificeras av "mycket specifika cytokemiska affiniteter" mellan neuroner) i Sperrys arbete (19). Resultatet är en spännande karta över synapsförbindelser mellan alla neuroner och specifika typer av neuroner, vanligen kallade connectome. Hur förbindelsen uppstår diskuteras fortfarande (20). En fråga som är kärnan i debatten är i vilken utsträckning kemospecifika mekanismer specifikt anpassar neuronala arbor mellan neuroner innan synapsförbindelser bildas. Spinn är dynamiska strukturer som formar, växer, krymper eller till och med försvinner som svar på aktivitet och erfarenhet (21), och neokortikala pyramidala neuroner förbinder och kopplar från varandra dynamiskt och som svar på stimulering (13). Lokala dendritiska och axonala specialiseringar, såsom bildandet av en ryggrad och synaptiska bouton, är tillräckliga för att omkonfigurera neurala kretsar utan behov av axoner att växa till en målcell. Därför måste alla neuroner som potentiellt kan bilda anslutningar redan vara i linje innan synapsbildning för att säkerställa celltypspecifik synapsmönstring. Även de starkaste förespråkarna av statistisk konnektivitet eller neurogeometri (22, 23) tror att arbor anpassning kräver extracellulär kemisk repulsion (24) och attraktion (25). Det har dock föreslagits att den unika anpassningen av tusentals enskilda fibrer av specifika par av neuroner skulle kräva "miljoner och kanske miljarder" av cellspecifika molekylära isoformer (19). För att ta itu med frågan om i vilken utsträckning anpassningen av bors mellan specifika typer av neuroner orsakas av parvis kemospecifika signalering i motsats till den tillfälliga överlappningen av oberoende neurala morfologier, konstruerade vi en modell neokortikal krets som innehåller en delmängd av de neurontyper som finns i neokortex. Genom att montera kretsen från morfologier som var från samma hjärnområde och åldersintervall men olika djur och placerade slumpmässigt, eventuella parvis kemospecifik anpassning uteslöts. Denna sammansättning gjorde det möjligt för oss att testa i vilken utsträckning statistisk konnektivitet, mätt som appositioner mellan arbors av oberoende positionerade och odlade morfologier, kan förutsäga mätningar av funktionell synaps konnektivitet som finns i kortikala skivor preparat. Vi fann att statistikkonnektivitet, med bara några få undantag, var en bra prediktor för funktionell synapskonnektivitet. Detta fynd tyder på att förbindelsen av kortikal mikrokretsbildning till stor del bildas från den icke-specifika anpassningen av neuronmorfologier. I bara några få fall är kemospecifika mekanismer som krävs för att förklara specifika fiberanpassningar. Även om många studier har undersökt i vilken utsträckning geometrisk överlappning förutsäger antalet synapser mellan neuroner (23), har det varit svårare att testa huruvida slumpmässiga geometriska mekanismer kan förklara fördelningen av
I dokumentet REF studeras också den verkliga biologiska hjärnan och i synnerhet den kemospecifika styrningen och anpassningsprocessen för synapsförbindelser.
Statistical connectivity provides a sufficient foundation for specific functional connectivity in neocortical neural microcircuits.
{'venue': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'journal': 'Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America', 'mag_field_of_study': ['Biology', 'Medicine']}