• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
26.08.2022
Никита Логинов
5 629

Швейцарские ученые объяснили, как клетки мозга соединяются в нейронные структуры

6.1

Согласно предложенной модели, алгоритм наведения аксонов на целевые нейроны закодирован в самом процессе деления клеток мозга. Его суть — в поиске «двоюродных родственников» по «генеалогическому древу».

Сгенерированная сеть соединений повторяет нейронные структуры в мозге реальной мыши
Сгенерированная сеть соединений повторяет нейронные структуры в мозге реальной мыши / © ETH Zurich

Исследователи из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе претендуют на частичное решение одной из главных проблем биологии. Они разработали общую модель аксонального наведения, в рамках которого клетки мозга связываются друг с другом в сложные нейронные структуры. Как рассказывается в статье для журнала PLOS Computational Biology, эта модель способна воссоздать рост коннектома мыши до возраста в 56 дней.

Мозг млекопитающего, включая человека — сложнейшая биологическая структура, состоящая из десятков миллиардов клеток (нейронов). Они своими отростками (аксонами) связываются в нейронные сети, благодаря которым мозг может запоминать, ощущать и мыслить. При этом каждый аксон по какому-то принципу выбирает, с каким нейроном соединиться. Это может быть нейрон поблизости, а может и нейрон на другом конце мозга.

Как именно аксоны это делают — до сих пор неизвестно. На локальном уровне прорастание аксонов описано неплохо: они тянутся к определенным молекулярным меткам, сначала к одним, потом к другим, третьим и так далее. Но что глобально заставляет аксон перебирать метки и прокладывать путь, порой немалый, среди массы других нейронов? Каким образом каждый аксон находит свой единственный целевой нейрон?

Проблему усложняет то, что образование нейронных связей начинается еще в утробе матери. Значит, этот процесс закодирован на генетическом уровне. Однако полная карта нейронных связей (коннектом) просто не сможет уместиться в ДНК. К примеру, информационная емкость мышиного генома в зародышевой клетке не превышает одного гигабайта, тогда как самый грубый и приблизительный коннектом мозга мыши требует 10 терабайт для хранения.

Процесс развития нейронных связей (коннектома) мозга с момента оплодотворения до детского возраста
Процесс развития нейронных связей (коннектома) мозга с момента оплодотворения до детского возраста / © ETH Zurich

Швейцарские ученые предположили, что в генах закодирован не коннектом как таковой, а лишь алгоритм поиска пути аксонами. Причем это очень простой алгоритм, который вложен в сам процесс роста мозга, в процесс деления его клеток.

Когда клетки мозга делятся, выполнение их генетической программы время от времени меняется по определенному правилу. Так формируются различные области мозга, состоящие из групп родственных нейронов. Эти области иерархически вложены друг в друга, так что нейрон любого «семейства» получает определенное место в пространстве, зависящее от его предков. То есть мозг становится физическим воплощением генеалогического древа своих клеток.

Далее нейроны начинают тянуться аксонами к «двоюродным» родственникам примерно того же поколения. Чтобы найти «кузена» своего нейрона, аксон просто-напросто читает правило изменения генетической программы. Так аксон получает последовательность нейронов, рядом с которыми ему нужно пройти, чтобы найти нужного родственника. Причем физическое местонахождение каждого нейрона заранее известно — оно отражает его положение в генеалогическом древе клеток.

Аксон начинает расти в нужном направлении, пытаясь по молекулярным меткам найти нужный нейрон. Как только метки максимально сходятся, а дальнейшее движение уже не улучшает результата, аксон «понимает», что дошел до нужного нейрона, отбрасывает текущую метку, читает следующую из генетического правила и растет в новом направлении. Перебирая таким образом метки, аксон тянется от нейрона к нейрону. Когда встречает молекулярную метку, максимально похожую на метку его нейрона, это значит, что «кузен» найден и расти дальше не нужно. Аксон соединяется с этим нейроном контактами-синапсами.

Механизм поиска целевых нейронов аксонами
Механизм поиска целевых нейронов аксонами / © ETH Zurich

Если выразиться еще проще, аксон прокладывает маршрут роста точно так же, как человек прокладывает путь к определенному адресу в городе. Но здания и районы в городе могут быть беспорядочно разбросаны, тогда как группы нейронов в мозге всегда выстроены по генеалогическому порядку. Значит, аксону даже не нужна карта, как человеку, — достаточно двигаться последовательно от точки к точке.

Исследователи смогли таким образом смоделировать развитие мозга мыши начиная с эмбрионального периода (возраст 11,5 дня) до детского возраста в 56 дней (по человеческой шкале это примерно шестилетний ребенок). При этом часть моделируемых нейронов связывалась с ближайшими соседями, а другая часть выращивала длинные аксоны, чтобы дотянуться до своих дальних родственников. Как и происходит в реальном мозге.

Ученые признают, что новая модель пока не может полностью описать развитие такого сложного мозга, как человеческий. Но они считают, что их работа неплохо объясняет, как вообще может сформироваться орган, состоящий из нейронных сетей и способный к обучению. Для появления сложнейшей живой структуры может быть достаточно набора простых правил.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 17:37
Ольга Иванова

С возрастом здоровье человека, как известно, ухудшается, что в конце концов может привести к смерти. Международная команда ученых пришла к выводу, что нечто похожее может происходить с обществом, даже с целыми обществами. Исследователи определили наиболее «опасный» возраст государства, когда оно рискует исчезнуть с карты мира.

Вчера, 20:54
Дарья Губина

Согласно расчетам по новым данным наблюдений, несостыковку в оценках постоянной Хаббла можно объяснить влиянием войда КВС — огромной пустоты, в которой находится Млечный Путь.

Вчера, 14:34
Дарья Губина

В скоплении Волос Вероники астрономы обнаружили тусклый звездный поток, который в десять раз длиннее нашей галактики Млечный Путь. Изучение его структуры позволит разобраться в природе темной материи в галактических гало.

1 декабря
Александр Березин

Судно Yara Eyde станет первым, плавающим только на этом виде топлива, что потребует существенных модификаций судового двигателя. Его токсичность настолько высока, что предельно допустимая концентрация подобного горючего в 15 раз ниже, чем у солярки, применяемой в контейнеровозах сегодня. Производитель решился на столь непростой шаг ради экологии.

1 декабря
ПНИПУ

Марс — точка притяжения ученых умов, объект мечтаний писателей, кинематографистов и обычных людей. Математик первой категории кафедры математического моделирования систем и процессов, преподаватель Политехнической школы ПНИПУ Евгений Бурмистров рассказал, чем опасны межпланетные путешествия, какую выгоду человечество извлечет из колонизации Красной планеты, возможно ли воссоздать атмосферу на Марсе и как вернуться обратно на Землю.

Вчера, 17:37
Ольга Иванова

С возрастом здоровье человека, как известно, ухудшается, что в конце концов может привести к смерти. Международная команда ученых пришла к выводу, что нечто похожее может происходить с обществом, даже с целыми обществами. Исследователи определили наиболее «опасный» возраст государства, когда оно рискует исчезнуть с карты мира.

15 ноября
Александр Березин

Парниковый эффект от американского природного газа, поставляемого в Старый Свет, неожиданно оказался выше, чем от сжигания местного угля. И намного выше, чем от российского газа.

10 ноября
Михаил Орлов

Известно всего несколько примеров злокачественных опухолей, которые ведут себя подобно инфекции — передаются другим организмам. Среди них — трансмиссивный рак двустворчатых моллюсков BTN. Авторы новой статьи описали географические и экологические аспекты распространения BTN среди мидий в Баренцевом море, оценили число больных моллюсков и узнали, как расселение «заразного рака» связано с Северным морским путем.

1 декабря
Александр Березин

Судно Yara Eyde станет первым, плавающим только на этом виде топлива, что потребует существенных модификаций судового двигателя. Его токсичность настолько высока, что предельно допустимая концентрация подобного горючего в 15 раз ниже, чем у солярки, применяемой в контейнеровозах сегодня. Производитель решился на столь непростой шаг ради экологии.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: