Nová teória tvorby synapsií v mozgu
Reorganizácia v zrakovej kôre: pred (vľavo) a tesne po poškodení sietnice (v strede) av neskoršej fáze (vpravo). Väčšina neurónov v zóne, kde sa obrazy premietajú z poškodenej sietnice, môže dosiahnuť svoj pôvodný…viac
Ľudský mozog sa neustále mení počas celého života človeka. Neustále sa vytvárajú nové spojenia, zatiaľ čo synapsie, ktoré sa už nepoužívajú, degenerujú. O mechanizmoch týchto procesov sa doposiaľ vie iba málo. Jülich neuroinformatik Dr. Markus Butz teraz dokázal pripísať vznik nových neurónových sietí vo vizuálnej kôre jednoduchému homeostatickému pravidlu, ktoré je tiež základom mnohých ďalších samoregulačných procesov v prírode. S týmto vysvetlením poskytuje spolu s kolegom Dr. Arjenom van Ooyenom z Amsterdamu novú teóriu o plasticite mozgu - a nový prístup k porozumeniu procesov učenia a liečbe poranení a chorôb mozgu.
Mozgy dospelých ľudí nie sú v žiadnom prípade drôtené. Vedci opakovane potvrdili túto skutočnosť v posledných rokoch pomocou rôznych zobrazovacích techník. Táto takzvaná neuroplasticita hrá nielen kľúčovú úlohu v procesoch učenia, ale tiež umožňuje mozgu zotaviť sa zo zranení a kompenzovať stratu funkcií. Výskumníci len nedávno zistili, že aj v dospelom mozgu sa nielenže existujúce synapsy prispôsobujú novým okolnostiam, ale neustále sa vytvárajú a reorganizujú nové spojenia. Zatiaľ však nebolo známe, ako sú tieto prirodzené procesy preskupovania kontrolované v mozgu. V denníku s otvoreným prístupom PLOS Výpočtová biológia, Butz a van Ooyen teraz predstavujú jednoduché pravidlo, ktoré vysvetľuje, ako sa tieto nové siete neurónov vytvárajú.
„Je veľmi pravdepodobné, že štrukturálna plasticita mozgu je základom pre formovanie dlhodobej pamäte,“ hovorí Markus Butz, ktorý posledných pár mesiacov pracoval v nedávno zriadenom simulačnom laboratóriu pre neurovedy v superpočítačovom centre Jülich. "A nejde len o učenie." Po amputácii končatín, poranení mozgu, nástupu neurodegeneratívnych chorôb a mozgových príhodách sa vytvára obrovské množstvo nových synapsií, aby sa mozog prispôsobil pretrvávajúcim zmenám vo vzorcoch prichádzajúcich stimulov. “
Aktivita reguluje tvorbu synapsií
Tieto výsledky ukazujú, že tvorba nových synapsií je riadená tendenciou neurónov udržiavať „vopred nastavenú“ úroveň elektrickej aktivity. Ak priemerná elektrická aktivita klesne pod určitú hranicu, neuróny začnú aktívne budovať nové kontaktné body. Sú základom pre nové synapsie, ktoré poskytujú ďalší vstup - zvyšuje sa rýchlosť streľby neurónov. Funguje to aj opačne: akonáhle úroveň aktivity prekročí hornú hranicu, počet synaptických spojení sa zníži, aby sa zabránilo nadmernému vzrušeniu - rýchlosť vypaľovania neurónov klesá. Podobné formy homeostázy sa často vyskytujú v prírode, napríklad pri regulácii telesnej teploty a hladiny cukru v krvi.
Markus Butz však zdôrazňuje, že to nefunguje bez určitého minimálneho vzrušenia neurónov: „Neurón, ktorý už neprijíma žiadne podnety, stráca ešte viac synapsií a po určitom čase odumrie. Toto obmedzenie musíme brať do úvahy, ak chceme, aby výsledky našich simulácií súhlasili s pozorovaniami. “ Pomocou vizuálna kôra ako príklad neurovedci študovali princípy, podľa ktorých neuróny vytvárajú nové spojenia a opúšťajú existujúce synapsie. V tejto oblasti mozgu, asi 10% synapsie sú neustále regenerované. Keď je sietnica poškodená, toto percento sa ešte zvyšuje. Pomocou počítačových simulácií sa autorom podarilo rekonštruovať reorganizáciu neurónov spôsobom, ktorý je v súlade s experimentálnymi výsledkami z vizuálnej kôry myší a opíc s poškodenými sietnicami.
Vizuálna kôra je obzvlášť vhodná na demonštráciu nového pravidla rastu, pretože má vlastnosť označovanú ako retinotopy: To znamená, že body premietané vedľa seba na sietnicu sú tiež usporiadané vedľa seba, keď sa premietajú na vizuálnu kôru, iba ako na mape. Ak sú poškodené oblasti sietnice, bunky, na ktoré sa premietajú súvisiace obrázky, dostávajú rôzne vstupy. "V našich simuláciách vidíte, že oblasti, ktoré už nedostávajú žiadny vstup zo sietnice, začínajú vytvárať krížové väzby, ktoré im umožňujú prijímať viac signálov zo susedných buniek," hovorí Markus Butz. Tieto zosieťovania sa vytvárajú pomaly od okraja poškodenej oblasti smerom do stredu, v procese pripomínajúcom hojenie rán, kým sa pôvodná úroveň aktivity viac-menej neobnoví.
Synaptická a štrukturálna plasticita
„Nové pravidlo rastu poskytuje štrukturálnu plasticitu s princípom, ktorý je takmer taký jednoduchý ako princíp synaptickej plasticity,“ hovorí spoluautor Arjen van Ooyen, ktorý už desaťročia pracuje na modeloch rozvoja neurónových sietí. Už v roku 1949 profesor psychológie Donald Olding Hebb objavil tieto súvislosti medzi neuróny ktoré sú často aktivované, budú silnejšie. Tí, ktorí si vymieňajú málo informácií, sa stanú slabšími. Mnohí vedci sa dnes domnievajú, že tento hebbovský princíp hrá ústrednú úlohu v procesoch učenia a pamäti. zatiaľ čo synaptická plasticita v rámci primárne krátkodobých procesov, ktoré trvajú od niekoľkých milisekúnd do niekoľkých hodín, sa štrukturálna plasticita rozširuje na dlhšie časové obdobia, od niekoľkých dní do mesiacov.
Štrukturálna plasticita preto zohráva obzvlášť dôležitú úlohu počas (skorej) rehabilitačnej fázy pacientov postihnutých neurologickými ochoreniami, ktoré trvajú aj týždne a mesiace. Vízia, ktorá je hnacou silou projektu, spočíva v tom, že hodnotné nápady na liečbu pacientov s mozgovou príhodou môžu byť dôsledkom presných predpovedí tvorby synapsií. Ak lekári vedeli, ako sa zmení štruktúra mozgu pacienta a reorganizuje sa počas liečby, mohli by určiť ideálne časy pre fázy stimulácie a odpočinku, čím sa zlepší účinnosť liečby.
Nový prístup k mnohým aplikáciám
„Predtým sa predpokladalo, že štrukturálna plasticita tiež sleduje princíp hebbovskej plasticity. Zistenia naznačujú, že štruktúrna plasticita sa riadi homeostatickým princípom, ktorý sa predtým nezohľadňoval, “hovorí profesorka Abigail Morrison, vedúca neurologického laboratória simulačných laboratórií Jülich. Jej tím už integruje nové pravidlo do voľne prístupného simulačného softvéru NEST, ktorý používa mnoho vedcov po celom svete.
Tieto zistenia sú dôležité aj pre projekt Human Brain Project. Neurovedci, vedci z oblasti medicíny, informatici, fyzici a matematici v Európe spolupracujú ruka v ruke na simulovaní celého ľudského mozgu na vysoko výkonných počítačoch budúcej generácie, aby lepšie pochopili jeho fungovanie. "Kvôli zložitým synaptickým obvodom v človeku." mozog, nie je pravdepodobné, že jeho odolnosť voči chybám a flexibilita sú dosiahnuté na základe pravidiel statického pripojenia. Pre proces samoorganizácie sú preto potrebné modely, “hovorí profesor Markus Diesmann z Jülichovho ústavu pre neurovedu a medicínu, ktorý je do projektu zapojený. Šéfuje výpočtovej a systémovej neurovede (INM-6), náhradníkovi, ktorý pracuje na rozhraní medzi neurovedeckým výskumom a simulačnou technológiou.
Preskúmajte ďalej: Re-učenie, ako vidieť: Výskumníci nájsť kľúčový on-off prepínač vo vizuálnom vývoji
Viac informácií: Jednoduché pravidlo pre tvorbu dendritickej chrbtice a axonálneho boutónu môže zodpovedať kortikálnej reorganizácii po fokálnych retinálnych léziách, Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (uverejnené online 10 October 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259
;