Nová teorie tvorby synapsí v mozku
Reorganizace ve vizuální kůře: před (vlevo) a těsně po poškození sítnice (uprostřed) a v pozdější fázi (vpravo). Většina neuronů v zóně, kde se promítají obrazy z poškozené sítnice, může dosáhnout svého původního…vice
Lidský mozek se neustále mění po celý život člověka. Neustále se vytvářejí nová připojení, zatímco degenerují synapse, která se již nepoužívají. Doposud se ví málo o mechanismech, které stojí za těmito procesy. Jülichův neuroinformatik Dr. Markus Butz nyní dokázal připsat vznik nových neuronových sítí ve vizuální kůře jednoduchému homeostatickému pravidlu, které je také základem mnoha dalších samoregulačních procesů v přírodě. S tímto vysvětlením přináší on a jeho kolega Dr. Arjen van Ooyen z Amsterdamu novou teorii o plasticitě mozku - a nový přístup k porozumění procesům učení a léčbě poranění a nemocí mozku.
Mozky dospělých lidí nejsou v žádném případě pevně zapojeny. Vědci opakovaně prokázali tuto skutečnost v posledních několika letech pomocí různých zobrazovacích technik. Tato takzvaná neuroplasticita hraje nejen klíčovou roli v procesech učení, ale také umožňuje mozku zotavit se ze zranění a kompenzovat ztrátu funkcí. Vědci teprve nedávno zjistili, že i v dospělém mozku se stávající synapsí nejen přizpůsobují novým okolnostem, ale nová spojení jsou neustále utvářena a reorganizována. Dosud však nebylo známo, jak jsou tyto přirozené procesy přesmyku kontrolovány v mozku. V deníku s otevřeným přístupem PLOS Výpočetní biologieButz a van Ooyen nyní představují jednoduché pravidlo, které vysvětluje, jak se vytvářejí tyto nové sítě neuronů.
"Je velmi pravděpodobné, že strukturální plasticita mozku je základem pro tvorbu dlouhodobé paměti," říká Markus Butz, který posledních několik měsíců pracoval v nedávno zřízené simulační laboratoři pro neurovědy v Jülichově superpočítačovém centru. "A nejde jen o učení." Po amputaci končetin, poranění mozku, nástupu neurodegenerativních onemocnění a mrtvici se vytváří obrovské množství nových synapsí, aby se mozek přizpůsobil trvalým změnám ve vzorcích příchozích podnětů. “
Aktivita reguluje tvorbu synapsí
Tyto výsledky ukazují, že tvorba nových synapsí je poháněna tendencí neuronů udržovat „přednastavenou“ úroveň elektrické aktivity. Pokud průměrná elektrická aktivita klesne pod určitou prahovou hodnotu, neurony začnou aktivně budovat nové kontaktní body. Jedná se o základ nových synapsí, které přinášejí další vstup - zvyšuje se rychlost střelby neuronů. Funguje to i obráceně: jakmile úroveň aktivity překročí horní hranici, počet synaptických spojení se sníží, aby se zabránilo nadměrné excitaci - rychlost vypalování neuronů klesá. Podobné formy homeostázy se v přírodě často vyskytují, například při regulaci tělesné teploty a hladiny cukru v krvi.
Markus Butz však zdůrazňuje, že to nefunguje bez určité minimální excitace neuronů: „Neuron, který již nepřijímá žádné podněty, ztrácí ještě více synapsí a po nějaké době odumře. Toto omezení musíme vzít v úvahu, pokud chceme, aby výsledky našich simulací souhlasily s pozorováním. “ Za použití vizuální kortex jako příklad, neurovědci studovali principy, podle kterých neurony vytvářejí nová spojení a opouštějí existující synapse. V této oblasti mozku asi 10% synapsy jsou neustále regenerovány. Po poškození sítnice se toto procento ještě zvyšuje. Pomocí počítačových simulací se autorům podařilo rekonstruovat reorganizaci neuronů způsobem, který odpovídá experimentálním výsledkům z vizuální kůry myší a opic s poškozenými sítnicemi.
Vizuální kůra je zvláště vhodná pro demonstraci nového růstového pravidla, protože má vlastnost označovanou jako retinotopy: To znamená, že body promítané vedle sebe na sítnici jsou také uspořádány vedle sebe, když se promítají do vizuální kůry, jen jako na mapě. Pokud jsou oblasti sítnice poškozené, buňky, na které se promítají související obrázky, přijímají různé vstupy. "V našich simulacích vidíte, že oblasti, které již nepřijímají žádný vstup ze sítnice, začínají vytvářet síťování, které jim umožňuje přijímat více signálů ze sousedních buněk," říká Markus Butz. Tato zesíťování se tvoří pomalu od okraje poškozené oblasti směrem ke středu, v procesu připomínajícím hojení rány, dokud není původní úroveň aktivity víceméně obnovena.
Synaptická a strukturální plasticita
„Nové pravidlo růstu poskytuje strukturální plasticitu s principem, který je téměř stejně jednoduchý jako princip synaptické plasticity,“ říká spoluautor Arjen van Ooyen, který po celá desetiletí pracuje na modelech pro vývoj neuronových sítí. Již v roce 1949 profesor psychologie Donald Olding Hebb objevil tato spojení mezi neurony které jsou často aktivovány, budou silnější. Ti, kteří si vyměňují málo informací, budou slabší. Mnoho vědců dnes věří, že tento hebbický princip hraje ústřední roli v procesech učení a paměti. Zatímco synaptická plasticita v zapojení především do krátkodobých procesů, které trvají od několika milisekund do několika hodin, se strukturální plasticita prodlužuje v delším časovém měřítku, od několika dnů do měsíců.
Strukturální plasticita proto hraje zvláště důležitou roli během (rané) rehabilitační fáze pacientů postižených neurologickými onemocněními, která také přetrvávají týdny a měsíce. Vize, která projekt řídí, spočívá v tom, že cenné nápady pro léčbu pacientů s mozkovou příhodou by mohly vyplynout z přesných předpovědí tvorby synapsí. Pokud by lékaři věděli, jak se mozková struktura pacienta během léčby změní a reorganizuje, mohli by určit ideální časy pro fáze stimulace a odpočinku, a tak zlepšit účinnost léčby.
Nový přístup k řadě aplikací
"Dříve se předpokládalo, že strukturální plasticita rovněž sleduje princip hebbovské plasticity." Zjištění naznačují, že strukturální plasticita je místo toho řízena homeostatickým principem, který nebyl dříve zohledněn, “říká prof. Abigail Morrison, vedoucí Simulation Laboratory Neuroscience v Jülich. Její tým již integruje nové pravidlo do volně přístupného simulačního softwaru NEST, který používá řada vědců po celém světě.
Tato zjištění jsou také relevantní pro projekt Human Brain. Neurovědy, vědci z oblasti medicíny, počítačoví vědci, fyzici a matematici v Evropě pracují ruku v ruce na simulaci celého lidského mozku na vysoce výkonných počítačích příští generace, aby lépe pochopili jeho fungování. "Kvůli složitým synaptickým obvodům v člověku." mozek, není pravděpodobné, že jeho odolnosti vůči chybám a flexibility bude dosaženo na základě pravidel statického připojení. Proto jsou pro proces samoorganizace nutné modely, “říká profesor Markus Diesmann z Jülichova ústavu pro neurovědy a medicínu, který je do projektu zapojen. Vede výpočetní a systémovou neurovědu (INM-6), náhradu za práci na rozhraní mezi neurovědeckým výzkumem a simulační technologií.
Prozkoumejte dále: Opakované učení, jak to vidět: Vědci nacházejí klíčový vypínač ve vizuálním vývoji
Více informací: Jednoduché pravidlo pro tvorbu dendritické páteře a axonálního boutonu může odpovídat za kortikální reorganizaci po ložiskových lézích sítnice, Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (publikováno online 10 říjen 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259
;
