Az agyban a szinapszis kialakulásának új elmélete
Újraszervezés a látókéregben: előtt (balra) és közvetlenül a retina sérülése után (középen) és egy későbbi szakaszban (jobbra). A sérült retina képeire vetített zónában lévő neuronok nagy része el tudja érni az eredeti…több
Az emberi agy folyamatosan változik az ember életében. Az új kapcsolatok folyamatosan jönnek létre, miközben a már nem használt szinapszisok elfajulnak. A folyamatok hátterében álló mechanizmusokról máig keveset lehet tudni. Jülich neuroinformatikus, Dr. Markus Butz, a vizuális kéregben az új ideghálózatok kialakulását egy egyszerű homeosztatikus szabálynak tudta tulajdonítani, amely a természetben számos más önszabályozó folyamat alapja is. Ezzel a magyarázattal kollégájával, dr. Arjen van Ooyennel, Amszterdamból egy új elméletet is bemutat az agy plaszticitásáról - és újszerű megközelítést kínál a tanulási folyamatok megértéséhez, valamint az agyi sérülések és betegségek kezeléséhez.
A felnőtt emberek agya semmiképpen sem vezetékes. A tudósok az elmúlt években több képalkotó technikával ismételten megállapították ezt a tényt. Ez az úgynevezett neuroplaszticitás nemcsak kulcsszerepet játszik a tanulási folyamatokban, hanem lehetővé teszi az agy számára, hogy felépüljön a sérülésekből, és kompenzálja a funkciók elvesztését. A kutatók csak nemrégiben fedezték fel, hogy még a felnőttkori agyban is a meglévő szinapszisok nemcsak alkalmazkodnak az új körülményekhez, hanem új kapcsolatok is kialakulnak és átszerveződnek. Még nem volt ismert, hogy ezek a természetes átrendeződési folyamatok hogyan szabályozzák az agyban. A nyílt hozzáférésű folyóiratban PLOS számítási biológiaButz és van Ooyen most egy egyszerű szabályt mutatnak be, amely elmagyarázza, hogyan alakulnak ki ezek az új neuronhálózatok.
"Nagyon valószínű, hogy az agy strukturális plaszticitása az alapja a hosszú távú memória kialakulásának" - mondja Markus Butz, aki az elmúlt hónapokban a Jülich Szuperszámítógépes Központ nemrégiben létrehozott Szimulációs Laboratóriumának Idegtudományában dolgozik. - És ez nem csak a tanulásról szól. A végtagok amputációját, agysérülést, a neurodegeneratív betegségek megjelenését és agyvérzéseket követően hatalmas számú új szinapszis képződik annak érdekében, hogy az agy alkalmazkodjon a bejövő ingerek mintázatának tartós változásaihoz. ”
A tevékenység szabályozza a szinapszis kialakulását
Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az új szinapszisok kialakulását az idegsejtek „előre beállított” elektromos aktivitási szint fenntartására irányuló hajlandósága vezérli. Ha az átlagos elektromos aktivitás egy bizonyos küszöb alá esik, akkor az idegsejtek aktívan új kapcsolati pontokat építenek. Ezek képezik az új szinapszisok alapját, amelyek további inputot szolgáltatnak - nő az idegsejtek tüzelésének sebessége. Ez fordítva is működik: amint az aktivitási szint túllépi a felső határt, a szinaptikus kapcsolatok száma csökken a túlzott izgalom megakadályozása érdekében - csökken az idegsejtek kiütési sebessége. A homeosztázis hasonló formái gyakran előfordulnak a természetben, például a testhőmérséklet és a vércukorszint szabályozásában.
Markus Butz azonban hangsúlyozza, hogy ez nem működik az idegsejtek bizonyos minimális gerjesztése nélkül: „Az az idegsejt, amely már nem kap semmilyen ingert, még több szinapszist veszít, és egy idő után elpusztul. Figyelembe kell vennünk ezt a korlátozást, ha azt akarjuk, hogy szimulációink eredményei egyezzenek a megfigyelésekkel. " Használni a látókéreg Például az idegtudósok megvizsgálták azokat az elveket, amelyek szerint az idegsejtek új kapcsolatokat alkotnak és feladják a meglévő szinapszist. Az agy ezen régiójában az agy kb. 10% -a szinapszisok folyamatosan regenerálódnak. Ha a retina megsérült, ez a százalék még tovább növekszik. Számítógépes szimulációk segítségével a szerzőknek sikerült rekonstruálni a neuronok átszervezését oly módon, hogy az megfeleljen a sérült retinával rendelkező egerek és majmok vizuális kéregének kísérleti eredményeinek.
A vizuális kéreg különösen alkalmas az új növekedési szabály bemutatására, mivel retinotópiának nevezett tulajdonsággal rendelkezik: Ez azt jelenti, hogy a retinára egymás mellé vetített pontok akkor is egymás mellett helyezkednek el, amikor a vizuális kéregre vetítik, csak mint a térképen. Ha a retina területei sérültek, akkor azok a sejtek, amelyekre a kapcsolódó képeket vetítik, különböző bemeneteket kapnak. "Szimulációinkban láthatja, hogy azok a területek, amelyek már nem kapnak semmilyen információt a retinától, keresztkötéseket építenek, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy több jelet fogadjanak a szomszédos sejtjeiktől" - mondja Markus Butz. Ezek a keresztkötések lassan képződnek a sérült terület szélétől a középpont felé egy sebgyógyulásra emlékeztető folyamatban, amíg az eredeti aktivitási szint többé-kevésbé helyre nem áll.
Szinaptikus és szerkezeti plaszticitás
"Az új növekedési szabály biztosítja a strukturális plaszticitást egy olyan elvvel, amely majdnem olyan egyszerű, mint a szinaptikus plaszticitásé" - mondja Arjen van Ooyen társszerző, aki évtizedek óta dolgozik az ideghálózatok fejlesztésének modelljein. Donald Olding Hebb pszichológiai professzor már 1949-ben felfedezte, hogy ezek között összefüggések vannak neuronok amelyek gyakran aktiválódnak, erősebbé válnak. Azok, akik kevés információt cserélnek, gyengébbé válnak. Manapság sok tudós úgy gondolja, hogy ez a hebbiai elv központi szerepet játszik a tanulásban és az emlékezeti folyamatokban. Míg szinaptikus plaszticitás elsősorban a rövid távú folyamatokban, amelyek néhány milliszekundumtól több óráig tartanak, a szerkezeti plaszticitás hosszabb időtartamokon átnyúlik, több napról hónapra.
Ezért a szerkezeti plaszticitás különösen fontos szerepet játszik a neurológiai betegségek által érintett betegek (korai) rehabilitációs szakaszában, amely hetekig és hónapokig is tart. A projektet irányító elképzelés az, hogy a stroke-ban szenvedő betegek kezelésének értékes ötleteit a szinapszis kialakulásának pontos előrejelzései eredményezhetik. Ha az orvosok tudnák, hogy a páciens agyszerkezete hogyan változik és átszerveződik a kezelés során, meg tudják határozni az ideális idõket a stimuláció és a pihenés fázisaihoz, ezáltal javítva a kezelés hatékonyságát.
Új megközelítés számos alkalmazáshoz
„Korábban azt feltételezték, hogy a szerkezeti plaszticitás a hebbi plaszticitás elvét is követi. Az eredmények arra utalnak, hogy a strukturális plaszticitást inkább a homeosztatikus elv vezérli, amelyet korábban nem vettek figyelembe ”- mondja Prof. Abigail Morrison, a Jülichi Szimulációs Laboratórium Neuroscience vezetője. Csapata már beépíti az új szabályt a szabadon hozzáférhető NEST szimulációs szoftverbe, amelyet világszerte számos tudós használ.
Ezek a megállapítások az emberi agy projekt szempontjából is relevánsak. Idegtudósok, orvostudósok, informatikusok, fizikusok és matematikusok Európában kéz a kézben dolgoznak az egész emberi agy szimulálásán a következő generáció nagyteljesítményű számítógépein annak működésének jobb megértése érdekében. „Az ember bonyolult szinaptikus áramköre miatt agy, nem valószínű, hogy hibatűrését és rugalmasságát statikus csatlakozási szabályok alapján érik el. A modellekre tehát szükség van egy önszerveződési folyamathoz. ”- mondja Prof. Markus Diesmann a projektben részt vevő Jülich Idegtudományi és Orvostudományi Intézetéből. A számítástechnikai és rendszer-idegtudomány (INM-6), az idegtudományi kutatások és a szimulációs technológia közötti határfelületen dolgozó helyettes vezetője.
Fedezze fel tovább: Látás újbóli tanulása: A kutatók a látásfejlesztésben kulcsfontosságú be- és kikapcsolót találnak
További információ: Marok Butz, Arjen van Ooyen, a dendritikus gerinc és az axonális bouton kialakulásának egy egyszerű szabálya figyelembe veszi a kérgi átrendeződést fokális retinális sérülések után, Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (online közzétett 10 október 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259