Nuwe teorie van sinapsvorming in die brein
Reorganisasie in die visuele korteks: voor (links) en net na skade aan die retina (middel), en in 'n later fase (regs). Die meeste van die neurone in die sone waar beelde uit die beskadigde retina geprojekteer word, kan hul oorspronklike ...meer
Die menslike brein verander gedurende die hele mens se leeftyd. Nuwe verbindings word voortdurend geskep terwyl sinapse wat nie meer gebruik word nie, ontaard. Tot op hede is min bekend oor die meganismes agter hierdie prosesse. Die Jülich-neuroinformatikus, dr. Markus Butz, kon nou die vorming van nuwe neurale netwerke in die visuele korteks toeskryf aan 'n eenvoudige homeostatiese reël wat ook die basis is van baie ander selfregulerende prosesse in die natuur. Met hierdie verduideliking bied hy en sy kollega dr. Arjen van Ooyen van Amsterdam ook 'n nuwe teorie oor die plastisiteit van die brein - en 'n nuwe benadering tot die begrip van leerprosesse en die behandeling van breinbeserings en -siektes.
Die brein van volwasse mense is glad nie bedraad nie. Wetenskaplikes het die afgelope paar jaar herhaaldelik hierdie feit gevestig deur verskillende beeldtegnieke te gebruik. Hierdie sogenaamde neuroplastisiteit speel nie net 'n sleutelrol in leerprosesse nie, maar stel ook die brein in staat om te herstel van beserings en vergoed vir die verlies van funksies. Navorsers het pas onlangs uitgevind dat selfs in die volwasse brein, nie net bestaande sinapse pas by nuwe omstandighede nie, maar nuwe verbindings word voortdurend gevorm en herorganiseer. Dit was egter nog nie bekend hoe hierdie natuurlike herrangskikkingsprosesse in die brein beheer word nie. In die oop-toegangjoernaal PLOS Computational Biology, Butz en van Ooyen bied nou 'n eenvoudige reël aan wat verduidelik hoe hierdie nuwe netwerke neurone gevorm word.
'Dit is heel waarskynlik dat die strukturele plastisiteit van die brein die basis is vir die vorming van geheue op lang termyn,' sê Markus Butz, wat die afgelope paar maande werksaam was by die simulasie-laboratorium neurowetenskap in die Jülich Supercomputing Centre. 'En dit gaan nie net oor leer nie. Na die amputasie van ledemate, breinbesering, die aanvang van neurodegeneratiewe siektes en beroertes, word 'n groot aantal nuwe sinapse gevorm om die brein aan te pas by die blywende veranderinge in die patrone van inkomende stimuli. '
Aktiwiteit reguleer sinkapsvorming
Hierdie resultate toon dat die vorming van nuwe sinapse gedryf word deur die neiging van neurone om 'n 'vooraf ingestelde' elektriese aktiwiteitsvlak te handhaaf. As die gemiddelde elektriese aktiwiteit onder 'n sekere drempel daal, begin die neurone om aktief nuwe kontakpunte te bou. Dit is die basis vir nuwe sinapse wat addisionele insette lewer - die skietkoers van neurone styg. Dit werk ook andersom: sodra die aktiwiteitsvlak 'n boonste limiet oorskry, word die aantal sinaptiese verbindings verminder om te veel opwinding te voorkom - die neuron-skietkoers daal. Soortgelyke vorme van homeostase kom gereeld in die natuur voor, byvoorbeeld in die regulering van liggaamstemperatuur en bloedsuikervlakke.
Markus Butz benadruk egter dat dit nie werk sonder 'n sekere minimale opwinding van die neurone nie: ''n Neuron wat geen stimuli meer ontvang nie, verloor nog meer sinapse en sal na 'n tyd doodgaan. Ons moet hierdie beperking in ag neem as ons wil hê dat die resultate van ons simulasies ooreenstem met waarnemings. ” Gebruik die visuele korteks As 'n voorbeeld het die neurowetenskaplikes die beginsels bestudeer waarvolgens neurone nuwe verbindings vorm en bestaande sinapses laat vaar. In hierdie streek van die brein, ongeveer 10% van die sinapse word voortdurend geregenereer. Wanneer die retina beskadig is, verhoog hierdie persentasie selfs verder. Met behulp van rekenaar simulasies het die skrywers daarin geslaag om die herorganisasie van die neurone op 'n manier te herstruktureer wat ooreenstem met eksperimentele resultate van die visuele korteks van muise en ape met beskadigde retinas.
Die visuele korteks is veral geskik om die nuwe groeiregel te demonstreer, omdat dit 'n eienskap het wat na verwys word as retinotopie: Dit beteken dat punte wat langs mekaar op die retina geprojekteer word, ook langs mekaar gerangskik word wanneer dit op die visuele korteks geprojekteer word, net soos op 'n kaart. As areas van die retina beskadig word, ontvang die selle waarop die gepaardgaande beelde geprojekteer word verskillende insette. "In ons simulasies kan u sien dat gebiede wat geen insette meer van die retina ontvang nie, dwarsskakels begin bou, wat hulle in staat stel om meer seine van hul naburige selle te ontvang," sê Markus Butz. Hierdie dwarsbande word stadig gevorm vanaf die rand van die beskadigde area na die middelpunt, in 'n proses wat lyk soos die genesing van 'n wond, totdat die oorspronklike aktiwiteitsvlak min of meer herstel is.
Sinaptiese en strukturele plastisiteit
"Die nuwe groei-reël bied strukturele plastisiteit 'n beginsel wat amper so eenvoudig is as dié van sinaptiese plastisiteit," sê medeskrywer Arjen van Ooyen, wat al dekades lank aan modelle werk vir die ontwikkeling van neurale netwerke. Reeds in 1949 het professor in sielkunde Donald Olding Hebb ontdek dat verbande tussen neurone wat gereeld geaktiveer word, word sterker. Diegene wat klein inligting ruil, word swakker. Vandag glo baie wetenskaplikes dat hierdie Hebreeuse beginsel 'n sentrale rol speel in leer- en geheueprosesse. terwyl sinaptiese plastisiteit In hoofsaaklik betrokke by korttermynprosesse wat van 'n paar millisekonde na 'n paar uur neem, strek die strukturele plastisiteit oor langer tydskale, van verskillende dae na maande.
Strukturele plastisiteit speel dus 'n besonder belangrike rol tydens die (vroeë) rehabilitasie fase van pasiënte wat deur neurologiese siektes getref word, wat ook weke en maande duur. Die visie wat die projek bestuur, is dat waardevolle idees vir die behandeling van beroerte pasiënte kan voortspruit uit akkurate voorspellings van sinapsvorming. As dokters geweet het hoe die breinstruktuur van 'n pasiënt tydens behandeling sal verander en herorganiseer, kan hulle die ideale tye bepaal vir fases van stimulasie en rus en sodoende die doeltreffendheid van die behandeling verbeter.
Nuwe benadering vir talle toepassings
'Daar is vroeër aanvaar dat strukturele plastisiteit ook die beginsel van Hebbiese plastisiteit volg. Die bevindings dui daarop dat strukturele plastisiteit eerder deur die homeostatiese beginsel beheer word, wat nie voorheen in aanmerking geneem is nie, ”sê prof. Abigail Morrison, hoof van die Simulation Laboratory Neuroscience in Jülich. Haar span is reeds besig om die nuwe reël te integreer in die gratis toeganklike simulasiesagteware NEST, wat deur talle wetenskaplikes wêreldwyd gebruik word.
Hierdie bevindings is ook van belang vir die Human Brain Project. Neurowetenskaplikes, mediese wetenskaplikes, rekenaarwetenskaplikes, natuurkundiges en wiskundiges in Europa werk hand aan hand om die hele menslike brein op hoëprestasie-rekenaars van die volgende generasie te simuleer om beter te verstaan hoe dit funksioneer. 'As gevolg van die ingewikkelde sinaptiese stroombane in die mens brein, is dit nie aanneemlik dat die fouttoleransie en soepelheid op grond van statiese verbindingsreëls bereik word nie. Modelle is dus nodig vir 'n selforganiseringsproses, 'sê prof. Markus Diesmann van Jülich se Instituut vir Neurowetenskap en Geneeskunde, wat by die projek betrokke is. Hy staan aan die hoof van Computational and Systems Neuroscience (INM-6), 'n subinstituut wat werk by die koppelvlak tussen neurowetenskaplike navorsing en simulasietegnologie.
Verken verder: Hersien hoe om te sien: Navorsers vind 'n belangrike aan-skakelaar in visuele ontwikkeling
Meer inligting: 'N eenvoudige reël vir dendritiese ruggraat en aksonale bouton vorming kan rekening hou met kortikale reorganisasie na fokale retinale letsels, Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (gepubliseer aanlyn 10 October 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259
;
