[논문 리뷰] A Neural-Astrocytic Network Architecture: Astrocytic calcium waves modulate synchronous neuronal activity

Ioannis Polykretis, Vladimir A. Ivanov외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 05.

Neural dynamics and brain function참고 문헌 85인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 세포 내 칼슘 파동이 세포소기관 구역을 통해 전파되는 생물물리학적으로 현실적인 아스트로세이트 모델을 제안하며, 이 파동이 글리오전미션을 통해 신경세포의 동기화된 활동을 조절하는 방식을 시뮬레이션한다. 이 모델은 아스트로세이트가 신경세포의 동기화를 조절할 수 있도록 허용하는 칼슘 카스케이드 메커니즘을 드러내며, 신경-아스트로세이트 네트워크(NANs)에서 비신경세포의 새로운 계산적 역할을 제시한다.

ABSTRACT

Understanding the role of astrocytes in brain computation is a nascent challenge, promising immense rewards, in terms of new neurobiological knowledge that can be translated into artificial intelligence. In our ongoing effort to identify principles endow-ing the astrocyte with unique functions in brain computation, and translate them into neural-astrocytic networks (NANs), we propose a biophysically realistic model of an astrocyte that preserves the experimentally observed spatial allocation of its distinct subcellular compartments. We show how our model may encode, and modu-late, the extent of synchronous neural activity via calcium waves that propagate intracellularly across the astrocytic compartments. This relationship between neural activity and astrocytic calcium waves has long been speculated but it is still lacking a mechanistic explanation. Our model suggests an astrocytic "calcium cascade" mechanism for neuronal synchronization, which may empower NANs by imposing periodic neural modulation known to reduce coding errors. By expanding our notions of information processing in astrocytes, our work aims to solidify a computational role for non-neuronal cells and incorporate them into artificial networks.

연구 동기 및 목표

• 세포소기관의 공간적 분할을 유지하는 생물물리학적으로 현실적인 아스트로세이트 모델을 개발하는 것.
• 아스트로세이트 내 세포내 칼슘 파동이 동기화된 신경세포 활동에 어떻게 영향을 주는지 조사하는 것.
• 인공지능에 활용하기 위해 신경세포 활동과 아스트로세이트 칼슘 신호 간의 기계적 연결 고리를 수립하는 것.
• 신경-아스트로세이트 네트워크(NANs)에 아스트로세이트를 통합하여 전통적인 신경망을 초월한 계산 능력을 향상시키는 것.

제안 방법

• 실험적 형태를 반영한 별도의 세포소기관 영역을 가진 분할된 아스트로세이트 모델을 개발한다.
• 칼슘 동역학을 생물물리학적으로 정보를 반영한 방정식을 사용하여 아스트로세이트 과정을 따라 파동 전파를 캡처한다.
• 중규모 및 전역적 칼슘 파동을 유도하기 위해 생물학적 범위 내의 자극 패tern을 적용한다.
• 칼슘 파동이 뉴런의 시냅스 활동에 영향을 주는 방식으로 글리오전미션을 모델링한다.
• 최근의 실험적 발견(중규모 및 전역적 파동 유형)에 기반해 파동 전파 패턴을 검증한다.
• 아스트로세이트 모델을 신경-아스트로세이트 네트워크(NAN) 프레임워크에 통합하여 동기화에서의 계산적 역할을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생물학적으로 현실적인 모델에서 칼슘 파동은 아스트로세이트의 세포소구역을 어떻게 전파되는가?
• RQ2 아스트로세이트 칼슘 파동은 동기화된 신경세포 활동을 조절하는 데 어떤 기능적 역할을 하는가?
• RQ3 아스트로세이트에서의 칼슘 카스케이드 메커니즘이 실험에서 관찰된 뉴런의 동기화를 설명할 수 있는가?
• RQ4 아스트로세이트 칼슘 동역학은 인공신경망에서의 정보 처리에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 아스트로세이트를 통합함으로써 뇌모방 및 비-바르너-형 컴퓨팅 아키텍처에 어떤 계산적 이점이 있는가?

주요 결과

• 모델은 두꺼운 아스트로세이트 가지 쪽으로 향하는 중규모 칼슘 파동과 세포체에 도달하는 전역적 파동을 성공적으로 재현한다.
• 칼슘 파동 전파 패턴은 아스트로세이트에서 국소적 및 네트워크 규모의 칼슘 신호 전달에 대한 실험적 관찰과 일치한다.
• 모델은 시냅스 유도 칼슘 파동이 파동의 범위에 따라 침묵한 뉴런을 글리오전미션을 통해 조절할 수 있음을 보여준다.
• 아스트로세이트 칼슘 파동이 주기적인 신경 조절을 유도하며, 이는 코드 오류를 줄이고 동기화를 향상시킬 수 있다.
• 연구 결과는 칼슘 매개 신호 전달을 통해 아스트로세이트가 뉴런 네트워크 다이내믹스를 조절하는 기능적 역할을 한다는 것을 지지한다.
• 이 연구는 오랫동안 추측되어 온 뉴런 활동과 아스트로세이트 칼슘 파동 간의 연결 고리를 기계적 설명으로 제공하며, NAN 기반 계산을 발전시킨다.