Nauja sinapsės teorija smegenyse
Reorganizavimas regos žievėje: prieš (kairėje) ir tiesiog po tinklainės (centro) pažeidimo ir vėlesniame etape (dešinėje). Dauguma zonoje esančių neuronų, kuriuose vaizdai yra nukreipti iš pažeistos tinklainės, gali pasiekti savo originalą.daugiau
Žmogaus smegenys keičiasi visą žmogaus gyvenimą. Naujos jungtys nuolat kuriamos, o nebenaudojamos sinapsės išsigimsta. Iki šiol mažai žinoma apie šių procesų mechanizmus. Jülicho neuroinformatikas dr. Markusas Butzas naujų neuroninių tinklų formavimąsi regos žievėje dabar galėjo priskirti paprastai homeostatinei taisyklei, kuri yra daugelio kitų savireguliacijos procesų gamtoje pagrindas. Šiuo paaiškinimu jis ir jo kolega daktaras Arjenas van Ooyenas iš Amsterdamo taip pat pateikia naują smegenų plastiškumo teoriją ir naują požiūrį į mokymosi procesų supratimą ir smegenų traumų bei ligų gydymą.
Suaugusių žmonių smegenys jokiu būdu nėra sunkios laidinės. Mokslininkai ne kartą nustatė šį faktą per pastaruosius kelerius metus, naudodami skirtingus vaizdo gavimo metodus. Šis vadinamasis neuroplastiškumas ne tik vaidina svarbų vaidmenį mokymosi procesuose, bet ir leidžia smegenims atsigauti nuo sužeidimų ir kompensuoti prarastas funkcijas. Mokslininkai tik neseniai sužinojo, kad net ir suaugusiųjų smegenys ne tik prisitaiko prie naujų aplinkybių, bet ir nuolat sujungia naujas sąsajas. Tačiau dar nebuvo žinoma, kaip šie natūralūs pertvarkymo procesai yra kontroliuojami smegenyse. Atviros prieigos žurnale PLOS skaičiavimo biologijaButz ir van Ooyen dabar pateikia paprastą taisyklę, kuri paaiškina, kaip šie nauji neuronų tinklai yra suformuoti.
„Labai tikėtina, kad struktūrinis smegenų plastiškumas yra ilgalaikio atminties formavimosi pagrindas“, - sako Markusas Butzas, pastaruosius kelis mėnesius dirbęs neseniai įkurtoje Jülicho superkompiuterių centro simuliacijos laboratorijoje. „Ir tai ne tik mokymasis. Po galūnių amputacijos, smegenų pažeidimo, prasidėjusių neurodegeneracinių ligų ir insultų susidaro didžiulis skaičius naujų sinapsių, siekiant pritaikyti smegenis prie ilgalaikių gaunamų dirgiklių modelių pokyčių “.
Veikla reguliuoja sinapso formavimąsi
Šie rezultatai rodo, kad naujų sinapsių susidarymą lemia neuronų polinkis išlaikyti „iš anksto nustatytą“ elektrinio aktyvumo lygį. Jei vidutinis elektrinis aktyvumas nukrenta žemiau tam tikros ribos, neuronai pradeda aktyviai kurti naujus kontaktinius taškus. Tai yra naujų sinapsių, suteikiančių papildomą indėlį, pagrindas - padidėja neuronų šaudymo greitis. Tai veikia ir atvirkščiai: kai tik aktyvumo lygis viršija viršutinę ribą, sinapsinių jungčių skaičius sumažinamas, kad būtų išvengta bet kokio pernelyg didelio sužadinimo - krinta neuronų šaudymo dažnis. Panašios homeostazės formos dažnai pasitaiko gamtoje, pavyzdžiui, reguliuojant kūno temperatūrą ir cukraus kiekį kraujyje.
Tačiau Markusas Butzas pabrėžia, kad tai neveikia be tam tikro minimalaus neuronų sužadinimo: „Nebesulaukiantis jokių stimulų neuronas praranda dar daugiau sinapsių ir po kurio laiko mirs. Turime atsižvelgti į šį apribojimą, jei norime, kad mūsų modeliavimo rezultatai sutaptų su pastebėjimais “. Naudojant regėjimo žievė Pavyzdžiui, neurologai ištyrė principus, pagal kuriuos neuronai sudaro naujas jungtis ir atsisako esamos sinapso. Šiame smegenų regione apie 10% sinapsės nuolat atnaujinami. Sugedus tinklainei, šis procentas dar labiau padidėja. Naudojant kompiuterinius modelius, autoriai sugebėjo atstatyti neuronų reorganizavimą taip, kad atitiktų eksperimentinių rezultatų, gautų iš pelių ir beždžionių, pažeistų tinklainės, regėjimo žievės.
Regos žievė yra ypač tinkama demonstruoti naują augimo taisyklę, nes ji turi savybę, vadinamą retinotopija: Tai reiškia, kad taškai, projektuojami vienas šalia kito ant tinklainės, taip pat yra išdėstyti vienas šalia kito, kai jie yra projektuojami ant regos žievės, tiesiog kaip žemėlapyje. Jei tinklainės sritys yra pažeistos, ląstelės, į kurias projektuojami susiję vaizdai, gauna skirtingą įvestį. „Mūsų simuliacijose galite pamatyti, kad vietovės, kurios nebetenka jokio tinklainės įnašo, pradeda kurti kryžmines nuorodas, kurios leidžia jiems gauti daugiau signalų iš kaimyninių ląstelių“, - sako Markus Butzas. Šios kryžminės nuorodos formuojasi lėtai nuo pažeistos vietos krašto link centro, panašaus į žaizdos gijimą, kol pradinis aktyvumo lygis daugiau ar mažiau nebus atkurtas.
Synaptic ir struktūrinis plastiškumas
„Nauja augimo taisyklė suteikia struktūrinį plastiškumą, kurio principas yra beveik toks pat paprastas, kaip ir sinapsinio plastiškumo“, - sako bendraautorius Arjenas van Ooyenas, dešimtmečius dirbantis su neuroninių tinklų kūrimo modeliais. Jau 1949 m. Psichologijos profesorius Donaldas Oldingas Hebbas atrado, kad sąsajos tarp neuronai dažnai aktyvintos, taps stipresnės. Tie, kurie keičiasi mažai informacijos, taps silpnesni. Šiandien daugelis mokslininkų mano, kad šis „Hebbian“ principas atlieka pagrindinį vaidmenį mokymosi ir atminties procesuose. Nors sinaptinis plastiškumas visų pirma dalyvaujant trumpalaikiuose procesuose, kurie trunka nuo kelių milisekundžių iki kelių valandų, struktūrinis plastiškumas tęsiasi ilgesniais laiko tarpais nuo kelių dienų iki mėnesių.
Todėl struktūrinis plastiškumas yra ypač svarbus pacientams, sergantiems neurologinėmis ligomis (ankstyvuoju) reabilitacijos etapu, kuris taip pat trunka savaites ir mėnesius. Projekto vizija yra ta, kad vertingos idėjos, kaip gydyti insulto pacientus, gali atsirasti dėl tikslių sinapso formavimosi prognozių. Jei gydytojai žinojo, kaip paciento smegenų struktūra pasikeis ir reorganizuosis gydymo metu, jie galėtų nustatyti idealų laiką stimuliacijos ir poilsio fazėms, taip pagerinant gydymo efektyvumą.
Naujas požiūris į daugybę programų
„Anksčiau buvo manoma, kad struktūrinis plastiškumas taip pat vadovaujasi Hebbo plastiškumo principu. Išvados rodo, kad struktūrinį plastiškumą valdo homeostatinis principas, į kurį anksčiau nebuvo atsižvelgta “, - sako prof. Abigailas Morrisonas, Jülicho simuliacinės laboratorijos neurologijos vadovas. Jos komanda jau integruoja naują taisyklę į laisvai prieinamą modeliavimo programinę įrangą NEST, kurią naudoja daugybė mokslininkų visame pasaulyje.
Šios išvados taip pat yra svarbios žmogaus smegenų projektui. Neuromokslininkai, medicinos mokslininkai, informatikai, fizikai ir matematikai Europoje dirba kartu, kad imituotų visos žmogaus smegenis naujos kartos didelio našumo kompiuteriuose, kad geriau suprastų, kaip jos veikia. „Dėl sudėtingos žmogaus sinapsinės grandinės smegenys, tai nėra tikėtina, kad jo atsparumas triktims ir lankstumas yra pasiekiami remiantis statinio ryšio taisyklėmis. Todėl modeliai reikalingi savitvarkos procesui “, - sako prof. Markusas Diesmannas iš Jülicho neuromokslų ir medicinos instituto, dalyvaujantis projekte. Jis vadovauja skaičiavimo ir sistemų neuromokslui (INM-6) - pakaitiniam institutui, dirbančiam sąsajoje tarp neuromokslinių tyrimų ir modeliavimo technologijos.
Tyrinėkite toliau: Iš naujo mokykitės, kaip matyti: Mokslininkai suranda labai svarbų perjungiklį vizualiniame vystyme
Daugiau informacijos: Paprastą dendritinių stuburo ir aksoninio boutono formavimo taisyklę gali lemti žievės reorganizacija po židinio tinklainės pažeidimų, Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (paskelbta internete 10 spalio 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259
;
