• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
26 августа
Никита Логинов
5 165

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
Позавчера, 10:39
Сергей Васильев

Моделирование указало, как менялся путь формирования и распада суперконтинентов на протяжении истории Земли. Это позволило ученым предсказать, как и где образуется следующий из них, снова объединив практически всю сушу планеты.

Вчера, 11:40
Редакция

Итальянский ботаник Стефано Манкузо — о преимуществах естественных отношений и о том, что бывает, когда люди нарушают хрупкое равновесие между биологическими видами. Naked Science печатает отрывок из книги Манкузо La nazione delle piante («Нация растений»).

30 сентября
Василий Парфенов

В конце сентября, по не установленным пока причинам, возникли утечки на газопроводах «Северный поток». Многие издания и пользователи интернета уже подробно проанализировали (и продолжают обсуждать), каковы политические и экономические последствия этого инцидента. В свою очередь, Naked Science постарается оценить, чем обернется происшествие с точки зрения безопасности судоходства и экологии, а также есть ли шанс на восстановление подводных трубопроводов.

Позавчера, 10:39
Сергей Васильев

Моделирование указало, как менялся путь формирования и распада суперконтинентов на протяжении истории Земли. Это позволило ученым предсказать, как и где образуется следующий из них, снова объединив практически всю сушу планеты.

30 сентября
Василий Парфенов

В конце сентября, по не установленным пока причинам, возникли утечки на газопроводах «Северный поток». Многие издания и пользователи интернета уже подробно проанализировали (и продолжают обсуждать), каковы политические и экономические последствия этого инцидента. В свою очередь, Naked Science постарается оценить, чем обернется происшествие с точки зрения безопасности судоходства и экологии, а также есть ли шанс на восстановление подводных трубопроводов.

Вчера, 11:40
Редакция

Итальянский ботаник Стефано Манкузо — о преимуществах естественных отношений и о том, что бывает, когда люди нарушают хрупкое равновесие между биологическими видами. Naked Science печатает отрывок из книги Манкузо La nazione delle piante («Нация растений»).

16 сентября
Алиса Гаджиева

Геродот в своей «Истории» утверждал, что блоки для пирамиды Хеопса и соседних пирамид доставляли по воде. Но сегодня от Нила до пирамид слишком далеко. Исследование кернов, взятых в пойме реки, позволило понять, как именно решался сложнейший вопрос транспортировки такого строительного материала.

15 сентября
Никита Логинов

Светодиоды потребляют намного меньше энергии, чем традиционные газоразрядные лампы, что должно сократить парниковые выбросы. Но при этом светодиодное освещение угрожает здоровью жителей и разрушает местные экосистемы в городах и селах.

6 сентября
Александр Березин

Нашей планете 4,5 миллиарда лет, и 539 миллионов лет на ней тянется эра «явной жизни» (фанерозой) — то есть такой, когда на планете есть крупные, высокоорганизованные животные. Сам собой возникает вопрос: быть может, среди них был разум?

[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
Лучшие материалы
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: