Nova teorija tvorbe sinapse v možganih
Reorganizacija vidne skorje: pred (levo) in tik po poškodbi mrežnice (v sredini) ter v poznejši fazi (desno). Večina nevronov v območju, kjer se projicirajo slike iz poškodovane mrežnice, lahko doseže svoj original ...več
Človeški možgani se spreminjajo skozi življenje človeka. Neprestano se ustvarjajo nove povezave, medtem ko sinapse, ki niso več v uporabi, propadajo. Do danes je malo znanega o mehanizmih teh procesov. Jülichev nevroinformatik dr. Markus Butz je zdaj oblikovanje novih nevronskih mrež v vidni skorji lahko pripisal preprostemu homeostatskemu pravilu, ki je tudi osnova številnih drugih samoregulativnih procesov v naravi. S to razlago on in njegov kolega dr. Arjen van Ooyen iz Amsterdama ponujata tudi novo teorijo o plastičnosti možganov - in nov pristop k razumevanju učnih procesov in zdravljenju možganskih poškodb in bolezni.
Možgani odraslih ljudi nikakor niso trdi. Znanstveniki v zadnjih nekaj letih to dejstvo že večkrat ugotavljajo z uporabo različnih tehnik slikanja. Ta tako imenovana nevroplastičnost igra ne le ključno vlogo v učnih procesih, ampak tudi omogoča, da se možgani obnovijo od poškodb in nadomestijo izgubo funkcij. Raziskovalci so šele pred kratkim ugotovili, da se tudi v možganih odraslih ne le, da se obstoječe sinapse prilagajajo novim okoliščinam, ampak se nove povezave nenehno oblikujejo in reorganizirajo. Vendar še ni bilo znano, kako te naravne procese preureditve nadzorujejo v možganih. V dnevniku z odprtim dostopom PLOS računalniška biologija, Butz in van Ooyen predstavljata preprosto pravilo, ki pojasnjuje, kako nastajajo te nove mreže nevronov.
"Zelo verjetno je strukturna plastičnost možganov osnova za dolgoročno oblikovanje spomina," pravi Markus Butz, ki zadnjih nekaj mesecev dela v nedavno ustanovljenem simulacijskem laboratoriju Nevroznanost v superračunalniškem centru Jülich. »In ne gre samo za učenje. Po amputaciji okončin, poškodbi možganov, pojavu nevrodegenerativnih bolezni in kapi nastane ogromno novih sinaps, da se možgani prilagodijo trajnim spremembam vzorcev dohodnih dražljajev. "
Dejavnost uravnava nastanek sinapse
Ti rezultati kažejo, da je nastanek novih sinaps pogojen s težnjo nevronov, da vzdržujejo "vnaprej določeno" raven električne aktivnosti. Če povprečna električna aktivnost pade pod določen prag, začnejo nevroni aktivno graditi nove kontaktne točke. To so osnova za nove sinapse, ki prinašajo dodaten vložek - stopnja streljanja nevronov se poveča. To deluje tudi obratno: takoj ko stopnja aktivnosti preseže zgornjo mejo, se število sinaptičnih povezav zmanjša, da se prepreči prekomerno vznemirjenje - stopnja streljanja nevronov pade. Podobne oblike homeostaze se pogosto pojavljajo v naravi, na primer pri uravnavanju telesne temperature in ravni sladkorja v krvi.
Vendar Markus Butz poudarja, da to ne deluje brez določenega minimalnega vzbujanja nevronov: »Nevron, ki ne prejme več nobenih dražljajev, izgubi še več sinaps in čez nekaj časa odmre. To omejitev moramo upoštevati, če želimo, da se rezultati naših simulacij strinjajo z opažanji. " Uporabljati vidna skorja Kot primer so nevroznanstveniki preučevali načela, po katerih nevroni tvorijo nove povezave in opuščajo obstoječe sinapse. V tem predelu možganov je približno 10% sinapse se nenehno regenerirajo. Ko je mrežnica poškodovana, se ta odstotek še poveča. Avtorji so z računalniškimi simulacijami uspeli rekonstruirati reorganizacijo nevronov na način, ki ustreza eksperimentalnim rezultatom vidne skorje miši in opic s poškodovanimi mrežnicami.
Vizualna skorja je še posebej primerna za prikaz pravila novega rasti, saj ima lastnost, imenovano retinotopija: To pomeni, da so točke, ki se projicirajo ena na drugo na mrežnico, tudi razporejene ena ob drugo, ko se projicirajo na vidno skorjo, samo kot na zemljevidu. Če so območja mrežnice poškodovana, celice, na katere se projicirajo povezane slike, dobijo različne vhode. "V naših simulacijah lahko vidite, da območja, ki ne dobijo več nobenega vnosa mrežnice, začnejo graditi zamreže, ki jim omogočajo, da prejmejo več signalov iz sosednjih celic," pravi Markus Butz. Te premreže nastajajo počasi od roba poškodovanega območja proti sredini, v procesu, podobnem celjenju rane, dokler se prvotna raven aktivnosti bolj ali manj obnovi.
Sinaptična in strukturna plastičnost
"Novo pravilo rasti zagotavlja strukturno plastičnost z načelom, ki je skoraj tako preprosto kot načelo sinaptične plastičnosti," pravi soavtor Arjen van Ooyen, ki že desetletja dela na modelih za razvoj nevronskih mrež. Že leta 1949 je profesor psihologije Donald Olding Hebb odkril, da so povezave med nevroni ki se pogosto aktivirajo, bodo močnejše. Tisti, ki izmenjujejo malo informacij, bodo šibkejši. Danes mnogi znanstveniki verjamejo, da ima ta hebbijski princip osrednjo vlogo v procesih učenja in spomina. Medtem sinaptična plastičnost vpletena predvsem v kratkoročne procese, ki trajajo od nekaj milisekund do več ur, se strukturna plastičnost razširi na daljše časovne lestvice, od nekaj dni do mesecev.
Strukturna plastičnost ima zato še posebej pomembno vlogo v (zgodnji) fazi rehabilitacije bolnikov, ki jih prizadenejo nevrološke bolezni, ki traja tudi tedne in mesece. Vizija projekta je, da bi dragocene ideje za zdravljenje bolnikov z možgansko kapjo lahko izhajale iz natančnih napovedi nastanka sinapse. Če bi zdravniki vedeli, kako se bo možganska struktura bolnika spremenila in reorganizirala med zdravljenjem, bi lahko določili idealne čase za faze stimulacije in počitka ter tako izboljšali učinkovitost zdravljenja.
Nov pristop za številne aplikacije
»Pred tem se je domnevalo, da strukturna plastičnost sledi tudi načelu hebske plastičnosti. Ugotovitve kažejo, da strukturno plastičnost namesto tega ureja homeostatski princip, ki prej ni bil upoštevan, «pravi prof. Abigail Morrison, vodja simulacijskega laboratorija za nevroznanost v Jülichu. Njena ekipa novo pravilo že vključuje v prosto dostopno simulacijsko programsko opremo NEST, ki jo uporabljajo številni znanstveniki po vsem svetu.
Te ugotovitve so pomembne tudi za projekt človeških možganov. Nevroznanstveniki, medicinski znanstveniki, računalniški znanstveniki, fiziki in matematiki v Evropi si z roko v roki simulirajo celotne človeške možgane na visokozmogljivih računalnikih naslednje generacije, da bi bolje razumeli njihovo delovanje. »Zaradi zapletenih sinaptičnih vezij v človeku možganov, ni verjetno, da se njegova toleranca napak in prilagodljivost dosežeta na podlagi pravil statične povezave. Modeli so torej potrebni za postopek samoorganizacije, «pravi prof. Markus Diesmann z Jülichovega inštituta za nevroznanost in medicino, ki sodeluje pri projektu. Je vodja računalniške in sistemske nevroznanosti (INM-6), namestnika, ki deluje na vmesniku med nevroznanstvenimi raziskavami in simulacijsko tehnologijo.
Raziščite še: Ponovno učenje, kako videti: Raziskovalci najdejo ključno stikalo za izklop v vizualnem razvoju
Več informacij: Preprosto pravilo za nastanek dendritične hrbtenice in aksonskih butnov lahko predstavlja kortikalno reorganizacijo po žariščnih lezijah mrežnice, Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (objavljeno na spletu 10 oktober 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259
;