The Computing Dendrite: From Structure to Function

درخت‌های دندریتیک عصبی ساختارهای پیچیده‌ای هستند که سلول را با قابلیت‌های محاسباتی قدرتمندی می‌بخشند و امکان اتصال عصبی بالایی را فراهم می‌کنند. مطالعه عملکرد ساختارهای دندریتی دارای سنت طولانی در علوم اعصاب نظری است که با کار پیشگام ویلفرد رال در دهه 1950 شروع شد. پیشرفت‌های اخیر در تکنیک‌های تجربی به ما امکان می‌دهد دندریت‌ها را با دیدگاهی جدید و با جزئیات بیشتر مطالعه کنیم. هدف این جلد ارائه رزومه‌ای از آخرین پیشرفت‌ها در تحقیقات تجربی، محاسباتی و ریاضی در مورد عملکرد دندریت‌ها در انواع سیستم‌های عصبی است.

این کتاب ابتدا به خواص مورفولوژیکی دندریت ها می پردازد و رویکردهای اندازه گیری کمی مورفولوژی دندریت و ایجاد مورفولوژی دندریت مصنوعی در مدل های کامپیوتری را خلاصه می کند. این خصوصیات مورفولوژیکی از مطالعه اصول فراکتال برای توصیف توپولوژی های دندریت تا پیامدهای اصول بهینه سازی برای شکل دندریت را شامل می شود. رویکردهای فردی برای مطالعه جنبه‌های شکل دندریت که مستقیماً با محدودیت‌های مدار و محاسبات زیربنایی مرتبط هستند، جمع‌آوری شده‌اند.

موضوع اصلی دوم بر نحوه مشارکت دندریت‌ها در محاسباتی که نورون‌ها انجام می‌دهند متمرکز است. مورفولوژی دندریتی و توزیع سیناپس‌ها و ویژگی‌های غشایی روی درخت دندریتیک چه نقشی در تعیین خروجی یک نورون در پاسخ به ورودی آن دارد؟ طیف وسیعی از مطالعات گرد هم آمده است، با موضوعاتی از پدیده های عمومی تا پدیده های خاص سیستم - برخی دارای یک جزء تجربی قوی و برخی دیگر کاملاً نظری هستند. مطالعات بر روی بسیاری از سیستم های عصبی مختلف و گونه های جانوری از بی مهرگان گرفته تا پستانداران انجام شده است. با این تمرکز گسترده، مروری بر تنوع مکانیسم‌هایی ارائه می‌شود که دندریت‌ها می‌توانند برای شکل دادن به محاسبات عصبی استفاده کنند.

Neuronal dendritic trees are complex structures that endow the cell with powerful computing capabilities and allow for high neural interconnectivity. Studying the function of dendritic structures has a long tradition in theoretical neuroscience, starting with the pioneering work by Wilfrid Rall in the 1950s. Recent advances in experimental techniques allow us to study dendrites with a new perspective and in greater detail. The goal of this volume is to provide a résumé of the state-of-the-art in experimental, computational, and mathematical investigations into the functions of dendrites in a variety of neural systems.

The book first looks at morphological properties of dendrites and summarizes the approaches to measure dendrite morphology quantitatively and to actually generate synthetic dendrite morphologies in computer models. This morphological characterization ranges from the study of fractal principles to describe dendrite topologies, to the consequences of optimization principles for dendrite shape. Individual approaches are collected to study the aspects of dendrite shape that relate directly to underlying circuit constraints and computation.

The second main theme focuses on how dendrites contribute to the computations that neurons perform. What role do dendritic morphology and the distributions of synapses and membrane properties over the dendritic tree have in determining the output of a neuron in response to its input? A wide range of studies is brought together, with topics ranging from general to system-specific phenomena—some having a strong experimental component, and others being fully theoretical. The studies come from many different neural systems and animal species ranging from invertebrates to mammals. With this broad focus, an overview is given of the diversity of mechanisms that dendrites can employ to shape neural computations.