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La geometria dell’attività neuronale

È in uscita su Chaos and Complexity Letters un lavoro svolto da E. Conte, R. Norman, C. Moderniz, S. Conte, R. Marvulli (School of Advanced International Studies on Applied Theoretical and non Linear Methodologies of Physics di Bari), G. Ianieri, M. Megna (Dipartimento di Medicina Fisica e Riabilitazione di Bari) e F. Wang (Hunan Agricultural University, Cina). A multifractal analysis of neuron locations and calcium activity in C-elegans presenta un’analisi della struttura geometrica dell’attività neuronale nella testa di un Caenorhabditis elegans lasciato libero di muoversi.

Il C. elegans è un verme lungo circa 1 mm, molto semplice e dotato di una serie di caratteristiche che lo rendono particolarmente adatto a fungere da modello animale nelle ricerche biologiche. Il sistema nervoso di questo organismo comprende solamente 302 neuroni, e la rete di relazioni tra questi è stata ampiamente studiata e compresa.

Un contributo scientifico apparso nei Proceedings of the National Academy of Sciences (Nguyen et al., 2015) ha recentemente presentato una tecnica in grado di registrare i transienti intracellulari di calcio dei neuroni localizzati nella testa di C. elegans lasciato libero di muoversi, e al contempo registrare movimento, posizione e postura dell’organismo. Qui è possibile vedere il video fornito dagli autori dell’attività legata al calcio e della distribuzione o localizzazione neuronale.

Conte et al. hanno analizzato alcuni frammenti del video messo a disposizione da Nguyen et al. (2015) per chiarire se la distribuzione neuronale e l’attività correlata al calcio presentassero una struttura multifrattale. In parole semplici, si tratta di capire se la dinamica neuronale si svolge in uno spazio-tempo caratterizzato da minori o maggiori ordine e complessità geometrici (si veda la voce frattale).

I risultati dell’analisi che prende il nome di 2D Multifractal Detrended Fluctuation Analyusis (2D MF-DFA), eseguita sui dati di Nguyen et al. (2015), mostrano, secondo Conte et al., che sia la distribuzione neuronale sia l’attività correlata al calcio esibiscono una struttura multifrattale, e dunque sono comprensibili in termini quantitativi al livello della complessità spaziale neuronale e a quello morfo-funzionale.

La rilevanza di questo risultato risiede nell’aver chiarito come sia possibile valutare la complessità spaziale geometrica dell’attività neuronale e che questa complessità varia costantemente nel tempo. Usando la tecnica dell’analisi multifrattale sulle dinamiche neuronali promette, secondo gli stessi autori, una più vasta e puntuale comprensione del comportamento morfo-funzionale delle cellule e delle reti neuronali. Si tratta di condurre ‘un’analisi della forma’, un’analisi degli spazi geometrici che caratterizzano l’attività neuronale.

Bibliografia minima

– Conte, E., Norman, R., Mordeniz, C., Conte, S., Marvulli, R., Ianieri, G., Megna, M., & Wang, F. (2016). A multifractal analysis of neuron locations and calcium activity in C. elegans. Chaos and Complexity Letters, 10(1).

– Mattei, T. (2014). Unveiling complexity: Non-linear and fractal analysis in neuroscience and cognitive psychology. Frontiers in Computational Neuroscience, 8, 17.

– Nguyen, J., Shipley, F., Linder, A., Plummer, G., Liu, M., Setru, S., Shaevitz, J., & Leifer, A. (2015). Whole-brain calcium imaging with cellular resolution in freely behaving Caenorhabditis elegans.Proceedings of the National Academy of Sciences, 113, 1074-1081.

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Articolo originale pubblicato su BRAINFACTOR Cervello e Neuroscienze – Testata registrata al Tribunale Milano N. 538 del 18/9/2008. Direttore Responsabile: Marco Mozzoni.

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