Noua teorie a formării sinapsei în creier
Reorganizare în cortexul vizual: înainte (stânga) și imediat după deteriorarea retinei (centru) și într-o fază ulterioară (dreapta). Majoritatea neuronilor din zona în care sunt proiectate imaginile de la retina deteriorată își pot atinge originalul ...mai mult
Creierul uman se schimbă pe tot parcursul vieții unei persoane. Noi conexiuni sunt create continuu în timp ce sinapsele care nu mai sunt utilizate degenerează. Până în prezent, se știe puțin despre mecanismele din spatele acestor procese. Neuroinformaticianul Jülich, Dr. Markus Butz, a reușit acum să atribuie formarea de rețele neuronale noi în cortexul vizual unei reguli homeostatice simple, care este, de asemenea, baza multor alte procese de autoreglare din natură. Cu această explicație, el și colegul său Dr. Arjen van Ooyen de la Amsterdam oferă, de asemenea, o nouă teorie despre plasticitatea creierului - și o abordare nouă pentru înțelegerea proceselor de învățare și tratarea leziunilor și bolilor cerebrale.
Creierul oamenilor adulți nu este în niciun caz cu fir dur. Oamenii de știință au stabilit în mod repetat acest fapt în ultimii ani folosind diferite tehnici imagistice. Această așa-numită neuroplasticitate nu doar că joacă un rol esențial în procesele de învățare, ci permite și creierului să se recupereze din leziuni și să compenseze pierderea funcțiilor. Cercetătorii au aflat recent că, chiar și în creierul adult, nu numai că sinapsele existente se adaptează noilor circumstanțe, dar noile conexiuni sunt formate și reorganizate în mod constant. Cu toate acestea, nu se știa încă modul în care aceste procese naturale de reamenajare sunt controlate în creier. În jurnalul cu acces deschis PLOS Biologie computațională, Butz și van Ooyen prezintă acum o regulă simplă care explică modul în care se formează aceste rețele noi de neuroni.
„Este foarte probabil ca plasticitatea structurală a creierului să stea la baza formării memoriei pe termen lung”, spune Markus Butz, care a lucrat la recent înființatul laborator de simulare Neuroștiința la Centrul de Supercomputing Jülich în ultimele luni. „Și nu este vorba doar de învățare. În urma amputării extremităților, a leziunilor cerebrale, a apariției bolilor neurodegenerative și a accidentelor vasculare cerebrale, se formează un număr mare de sinapse noi, pentru a adapta creierul la schimbările durabile ale tiparelor stimulilor de intrare. ”
Activitatea reglează formarea sinapselor
Aceste rezultate arată că formarea de noi sinapse este determinată de tendința neuronilor de a menține un nivel de activitate electrică „prestabilit”. Dacă activitatea electrică medie scade sub un anumit prag, neuronii încep să construiască în mod activ noi puncte de contact. Acestea stau la baza noilor sinapse care oferă un aport suplimentar - rata de tragere a neuronilor crește. Acest lucru funcționează și invers: de îndată ce nivelul de activitate depășește o limită superioară, numărul conexiunilor sinaptice este redus pentru a preveni orice supraexcitație - rata de tragere a neuronilor scade. Forme similare de homeostazie apar frecvent în natură, de exemplu în reglarea temperaturii corpului și a nivelului de zahăr din sânge.
Cu toate acestea, Markus Butz subliniază că acest lucru nu funcționează fără o anumită excitație minimă a neuronilor: „Un neuron care nu mai primește niciun stimul pierde și mai multe sinapse și va dispărea după ceva timp. Trebuie să ținem cont de această restricție dacă dorim ca rezultatele simulărilor noastre să fie de acord cu observațiile. ” Folosind Cortex vizual ca exemplu, neuroștiștii au studiat principiile conform cărora neuronii formează noi conexiuni și abandonează sinapsele existente. În această regiune a creierului, aproximativ 10% din sinapselor sunt regenerate continuu. Când retina este deteriorată, acest procent crește și mai mult. Folosind simulări computerizate, autorii au reușit să reconstruiască reorganizarea neuronilor într-un mod care să se conformeze rezultatelor experimentale din cortexul vizual al șoarecilor și maimuțelor cu retine deteriorate.
Cortexul vizual este deosebit de potrivit pentru a demonstra noua regulă de creștere, deoarece are o proprietate denumită retinotopie: Acest lucru înseamnă că punctele proiectate unul lângă altul pe retină sunt, de asemenea, dispuse unul lângă celălalt atunci când sunt proiectate pe cortexul vizual, doar ca pe o hartă. Dacă zonele retinei sunt deteriorate, celulele pe care sunt proiectate imaginile asociate primesc intrări diferite. „În simulările noastre, puteți vedea că zonele care nu mai primesc nicio intrare de la retină încep să construiască legături încrucișate, care le permit să primească mai multe semnale de la celulele vecine”, spune Markus Butz. Aceste legături încrucișate se formează încet de la marginea zonei deteriorate spre centru, într-un proces care seamănă cu vindecarea unei răni, până când nivelul inițial de activitate este mai mult sau mai puțin restabilit.
Plasticitate sinaptică și structurală
„Noua regulă de creștere oferă plasticitate structurală cu un principiu aproape la fel de simplu ca cel al plasticității sinaptice”, spune co-autorul Arjen van Ooyen, care lucrează la modele pentru dezvoltarea rețelelor neuronale de zeci de ani. Încă din 1949, profesorul de psihologie Donald Olding Hebb a descoperit că legăturile dintre neuroni care sunt activate frecvent vor deveni mai puternice. Cei care schimbă puține informații vor deveni mai slabi. Astăzi, mulți oameni de știință cred că acest principiu hebbian joacă un rol central în procesul de învățare și memorie. In timp ce plasticitate sinaptică implicată în principal în procese pe termen scurt care durează de la câteva milisecunde la câteva ore, plasticitatea structurală se extinde pe scări mai lungi, de la câteva zile la luni.
Prin urmare, plasticitatea structurală joacă un rol deosebit de important în faza (precoce) de reabilitare a pacienților afectați de boli neurologice, care durează și săptămâni și luni. Viziunea care conduce proiectul este că ideile valoroase pentru tratamentul pacienților cu accident vascular cerebral ar putea rezulta din predicții exacte ale formării sinapsei. Dacă medicii ar ști cum se va schimba și reorganiza structura creierului unui pacient în timpul tratamentului, ei ar putea determina momentele ideale pentru faze de stimulare și odihnă, îmbunătățind astfel eficiența tratamentului.
Noua abordare pentru numeroase aplicații
„Se presupunea anterior că plasticitatea structurală urmează și principiul plasticității ebbiene. Descoperirile sugerează că plasticitatea structurală este guvernată în schimb de principiul homeostatic, care nu a fost luat în considerare înainte ”, spune prof. Abigail Morrison, șeful Laboratorului de simulare Neuroștiințe de la Jülich. Echipa ei integrează deja noua regulă în software-ul de simulare accesibil liber NEST, care este utilizat de numeroși oameni de știință din întreaga lume.
Aceste descoperiri sunt, de asemenea, relevante pentru Proiectul pentru creierul uman. Neurologii, oamenii de știință din domeniul medical, informaticienii, fizicienii și matematicienii din Europa lucrează mână în mână pentru a simula întregul creier uman pe computere performante din generația următoare, pentru a înțelege mai bine cum funcționează. „Datorită circuitelor sinaptice complexe la om creier, nu este plauzibil ca toleranța la eroare și flexibilitatea sa să fie realizate pe baza regulilor de conexiune statice. Prin urmare, sunt necesare modele pentru un proces de auto-organizare ”, spune prof. Markus Diesmann de la Institutul de Neuroștiințe și Medicină Jülich, care este implicat în proiect. Conduce Neurostiința Computațională și de Sistem (INM-6), un subinstitut care lucrează la interfața dintre cercetarea neuroștiințifică și tehnologia de simulare.
Explorați în continuare: Reînvățarea modului de a vedea: cercetătorii găsesc un schimbător crucial de oprire în dezvoltarea vizuală
Mai multe informații: O regulă simplă pentru coloana vertebrală dendritică și formarea de buton axonal poate reprezenta reorganizarea corticală după leziunile retiniene focale, Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (publicat online 10 octombrie 2013); DOI: 10.1371 / jurnal.pcbi.1003259
;
