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Computación a través de la dinámica de poblaciones neuronales

  • Autor/autores: Saurabh Vyas, Matthew D. Golub, David Sussillo...(et.al)



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Artículo | 23/06/2024

Importantes trabajos experimentales, computacionales y teóricos han identificado una rica estructura dentro de la actividad coordinada de poblaciones neuronales interconectadas. Un desafío emergente ahora es descubrir la naturaleza de los cálculos asociados, cómo se implementan y qué papel desempeñan en el comportamiento de conducción. A este c&aacu...

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Importantes trabajos experimentales, computacionales y teóricos han identificado una rica estructura dentro de la actividad coordinada de poblaciones neuronales interconectadas. Un desafío emergente ahora es descubrir la naturaleza de los cálculos asociados, cómo se implementan y qué papel desempeñan en el comportamiento de conducción. A este cálculo lo denominamos dinámica de poblaciones neuronales. Si tiene éxito, este marco revelará motivos generales de la actividad de la población neuronal y describirá cuantitativamente cómo la dinámica de la población neuronal implementa los cálculos necesarios para impulsar el comportamiento dirigido a objetivos.


Aquí, comenzamos con una introducción matemática a la teoría de sistemas dinámicos y las herramientas analíticas necesarias para aplicar esta perspectiva a los datos experimentales. La teoría de sistemas dinámicos proporciona un marco para entender cómo las interacciones no lineales entre neuronas individuales pueden dar lugar a patrones complejos de actividad en poblaciones neuronales. Herramientas como el análisis de autovalores y autovectores, la decomposición en modos principales y el análisis de estabilidad son fundamentales para esta exploración.


A continuación, destacamos algunos descubrimientos recientes resultantes de la aplicación exitosa de sistemas dinámicos. Nos centramos en estudios que abarcan el control motor, la sincronización, la toma de decisiones y la memoria de trabajo.


En el ámbito del control motor, los estudios han mostrado cómo las poblaciones neuronales en la corteza motora generan patrones de actividad que coordinan movimientos precisos y fluidos. La dinámica de estas poblaciones neuronales puede ser modelada para predecir y controlar movimientos complejos, proporcionando insights sobre cómo el cerebro planifica y ejecuta acciones motoras.La sincronización neuronal es otro campo donde la dinámica de poblaciones ha proporcionado avances significativos.


La sincronización de neuronas en diferentes regiones del cerebro es crucial para funciones como la percepción y la integración sensorial. Los estudios han demostrado cómo las oscilaciones neuronales y la coherencia de fase entre poblaciones pueden facilitar la comunicación efectiva y la transferencia de información entre áreas cerebrales.


En la toma de decisiones, la dinámica de poblaciones neuronales ha revelado cómo se integran y evalúan múltiples fuentes de información para llegar a una decisión. Modelos dinámicos han mostrado cómo las poblaciones neuronales pueden mantener un estado de equilibrio hasta que una señal externa inclina la balanza hacia una decisión específica, reflejando procesos de acumulación de evidencia observados en experimentos de comportamiento.


La memoria de trabajo también se ha beneficiado de este enfoque. Los modelos dinámicos han ayudado a entender cómo las poblaciones neuronales pueden mantener información temporalmente mediante patrones de actividad sostenida. Estos estudios han identificado mecanismos mediante los cuales las neuronas pueden mantener estados activos persistentes que son esenciales para la memoria de corto plazo y el procesamiento cognitivo.


Finalmente, discutimos brevemente líneas de investigación recientes y prometedoras y direcciones futuras para el cálculo a través del marco de dinámica de poblaciones neuronales. Una dirección prometedora es la integración de inteligencia artificial y aprendizaje automático con modelos dinámicos para mejorar la capacidad de predicción y control de la actividad neuronal. Otro enfoque emergente es el uso de técnicas de optogenética y neuroimagen avanzada para validar y refinar modelos teóricos con datos experimentales precisos y en tiempo real.


En resumen, la dinámica de poblaciones neuronales es una perspectiva potente y en crecimiento que promete desvelar cómo las interacciones complejas entre neuronas individuales se traducen en comportamientos adaptativos y dirigidos a objetivos. Mediante la aplicación de herramientas de la teoría de sistemas dinámicos a datos experimentales, podemos avanzar significativamente en nuestra comprensión de los cálculos neuronales que subyacen a una amplia variedad de funciones cognitivas y motoras.


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