Новая теория формирования синапса в мозге
Реорганизация в зрительной коре: до (слева) и сразу после повреждения сетчатки (в центре) и на более поздней стадии (справа). Большинство нейронов в зоне, где изображения проецируются из поврежденной сетчатки, могут достичь своих оригинальных ...БОЛЕЕ
Человеческий мозг постоянно меняется на протяжении всей жизни. Постоянно создаются новые связи, в то время как неиспользуемые синапсы дегенерируют. На сегодняшний день мало что известно о механизмах этих процессов. Нейроинформатик из Юлиха доктор Маркус Бутц теперь смог приписать формирование новых нейронных сетей в зрительной коре простому правилу гомеостаза, которое также является основой многих других саморегулирующихся процессов в природе. Этим объяснением он и его коллега доктор Арьен ван Оойен из Амстердама также предлагают новую теорию пластичности мозга и новый подход к пониманию процессов обучения и лечению травм и заболеваний мозга.
Мозги взрослых людей отнюдь не жестко связаны. Ученые неоднократно устанавливали этот факт за последние несколько лет, используя различные методы визуализации. Эта так называемая нейропластика не только играет ключевую роль в процессах обучения, но и позволяет мозгу оправиться от травм и компенсировать потерю функций. Исследователи только недавно выяснили, что даже во взрослом мозгу не только существующие синапсы адаптируются к новым обстоятельствам, но и новые связи постоянно формируются и реорганизуются. Однако пока не известно, как эти естественные процессы перестройки контролируются в мозге. В журнале открытого доступа PLoS вычислительной биологии, Буц и Ван Ойен теперь представляют собой простое правило, объясняющее, как формируются эти новые сети нейронов.
«Очень вероятно, что структурная пластичность мозга является основой для формирования долговременной памяти», - говорит Маркус Бутц, который последние несколько месяцев работает в недавно созданной имитационной лаборатории нейробиологии суперкомпьютерного центра Юлиха. «И дело не только в обучении. После ампутации конечностей, травмы головного мозга, возникновения нейродегенеративных заболеваний и инсультов образуется огромное количество новых синапсов, чтобы адаптировать мозг к длительным изменениям в образцах поступающих стимулов ».
Деятельность регулирует формирование синапса
Эти результаты показывают, что образование новых синапсов обусловлено тенденцией нейронов поддерживать «заданный» уровень электрической активности. Если средняя электрическая активность падает ниже определенного порога, нейроны начинают активно создавать новые точки контакта. Это основа для новых синапсов, которые обеспечивают дополнительный ввод - скорость возбуждения нейронов увеличивается. Это также работает и в обратном направлении: как только уровень активности превышает верхний предел, количество синаптических связей уменьшается, чтобы предотвратить любое перевозбуждение - частота активации нейронов падает. Подобные формы гомеостаза часто встречаются в природе, например, при регуляции температуры тела и уровня сахара в крови.
Однако Маркус Бутц подчеркивает, что это не работает без определенного минимального возбуждения нейронов: «Нейрон, который больше не получает никаких стимулов, теряет еще больше синапсов и через некоторое время умрет. Мы должны принять это ограничение во внимание, если хотим, чтобы результаты нашего моделирования согласовывались с наблюдениями ». С использованием визуальная кора в качестве примера, нейрофизиологи изучили принципы, согласно которым нейроны образуют новые связи и оставляют существующие синапсы. В этой области мозга около 10% синапсы непрерывно регенерируются. Когда сетчатка повреждена, этот процент увеличивается еще больше. Используя компьютерное моделирование, авторам удалось восстановить реорганизацию нейронов таким образом, чтобы они соответствовали экспериментальным результатам визуальной коры мышей и обезьян с поврежденными сетками.
Зрительная кора особенно подходит для демонстрации нового правила роста, потому что у нее есть свойство, называемое ретинотопией: это означает, что точки, проецируемые рядом друг с другом на сетчатку, также располагаются рядом друг с другом, когда они проецируются на зрительную кору, просто как на карте. Если участки сетчатки повреждены, клетки, на которые проецируются связанные изображения, получают разные входные данные. «В наших симуляциях вы можете видеть, что области, которые больше не получают никакого ввода от сетчатки, начинают создавать перекрестные связи, которые позволяют им получать больше сигналов от соседних клеток», - говорит Маркус Бутц. Эти поперечные связи образуются медленно от края поврежденной области к центру в процессе, напоминающем заживление раны, до тех пор, пока исходный уровень активности не будет более или менее восстановлен.
Синаптическая и структурная пластичность
«Новое правило роста обеспечивает структурную пластичность с помощью принципа, который почти так же прост, как принцип синаптической пластичности», - говорит соавтор Арьен ван Оойен, который десятилетиями работал над моделями для разработки нейронных сетей. Еще в 1949 году профессор психологии Дональд Олдинг Хебб обнаружил, что связь между нейроны которые часто активируются, станут сильнее. Те, кто обмениваются небольшой информацией, станут слабее. Сегодня многие ученые считают, что этот принцип Hebbian играет центральную роль в процессах обучения и памяти. В то время как синаптическая пластичность в основном в краткосрочных процессах, которые занимают от нескольких миллисекунд до нескольких часов, структурная пластичность распространяется на более длительные временные масштабы - от нескольких дней до нескольких месяцев.
Таким образом, структурная пластичность играет особенно важную роль на ранней стадии реабилитации пациентов, страдающих неврологическими заболеваниями, которая также длится недели и месяцы. Видение вождения проекта заключается в том, что ценные идеи для лечения пациентов с инсультом могут быть результатом точных прогнозов образования синапсов. Если врачи знали, как структура мозга пациента изменится и реорганизуется во время лечения, они могут определить идеальные времена для фаз стимуляции и отдыха, тем самым улучшая эффективность лечения.
Новый подход для многочисленных приложений
«Ранее предполагалось, что структурная пластичность также следует принципу пластичности Хебба. Полученные данные свидетельствуют о том, что структурная пластичность регулируется гомеостатическим принципом, который ранее не принимался во внимание », - говорит профессор Эбигейл Моррисон, руководитель Лаборатории моделирования нейробиологии в Юлихе. Ее команда уже интегрирует новое правило в свободно доступное программное обеспечение для моделирования NEST, которое используется многими учеными по всему миру.
Эти результаты также имеют отношение к проекту Human Brain Project. Нейробиологи, ученые-медики, компьютерные ученые, физики и математики в Европе работают рука об руку, чтобы смоделировать весь человеческий мозг на высокопроизводительных компьютерах следующего поколения, чтобы лучше понять, как он функционирует. «Из-за сложной синаптической схемы у человека мозг, маловероятно, что его отказоустойчивость и гибкость достигаются на основе статических правил подключения. Следовательно, модели необходимы для процесса самоорганизации », - говорит профессор Маркус Дисманн из Института нейробиологии и медицины Юлиха, который участвует в проекте. Он возглавляет подразделение Computational and Systems Neuroscience (INM-6), работающее на стыке нейробиологических исследований и технологий моделирования.
Исследуйте далее: Переобучение, как увидеть: Исследователи находят ключевой выключатель в визуальной разработке
Больше информации: Простым правилом для образования дендритного позвоночника и аксоновского бутона может быть реорганизация коры после очаговых повреждений сетчатки, Маркус Буц, Арьен ван Ойен, PLoS Comput Biol (публикуется онлайн 10 October 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259
;
