Ny teori om synapsbildning i hjärnan
Omorganisering i visuell cortex: före (vänster) och strax efter skada på näthinnan (mitt) och i en senare fas (höger). De flesta av neuronerna i zonen där bilder projiceras från den skadade näthinnan kan nå sina ursprungliga ...mer
Den mänskliga hjärnan fortsätter att förändras under hela människans livstid. Nya anslutningar skapas ständigt medan synapser som inte längre används degenererar. Hittills är lite känt om mekanismerna bakom dessa processer. Jülich neuroinformatiker Dr Markus Butz har nu kunnat tillskriva bildandet av nya neurala nätverk i den visuella cortexen till en enkel homeostatisk regel som också är grunden för många andra självreglerande processer i naturen. Med denna förklaring ger han och hans kollega Dr. Arjen van Ooyen från Amsterdam också en ny teori om hjärnans plasticitet - och en ny metod för att förstå inlärningsprocesser och behandling av hjärnskador och sjukdomar.
Hjärnorna hos vuxna människor är inte på något sätt hårt trådbundna. Forskare har upprepade gånger etablerat detta faktum de senaste åren genom att använda olika bildtekniker. Denna så kallade neuroplasticitet spelar inte bara en nyckelroll i lärprocesserna, det gör det också möjligt för hjärnan att återhämta sig från skador och kompensera för förlust av funktioner. Forskare upptäckte nyligen att även i den vuxna hjärnan inte bara befintliga synapser anpassar sig till nya omständigheter, men nya förbindelser bildas och omorganiseras ständigt. Det var emellertid ännu inte känt hur dessa naturliga omarrangemangsprocesser styrs i hjärnan. I öppen åtkomsttidskrift PLOS Computational Biology, Butz och van Ooyen presenterar nu en enkel regel som förklarar hur dessa nya nätverk av neuroner bildas.
"Det är mycket troligt att hjärnans strukturella plasticitet är grunden för långvarig minnesbildning", säger Markus Butz, som har arbetat vid det nyligen etablerade Simulation Laboratory Neuroscience vid Jülich Supercomputing Center de senaste månaderna. ”Och det handlar inte bara om att lära sig. Efter amputationen av extremiteter, hjärnskador, uppkomsten av neurodegenerativa sjukdomar och stroke bildas ett stort antal nya synapser för att anpassa hjärnan till de bestående förändringarna i mönstren för inkommande stimuli. ”
Aktivitet reglerar synapsbildning
Dessa resultat visar att bildandet av nya synapser drivs av neurons tendens att upprätthålla en 'förinställd' elektrisk aktivitetsnivå. Om den genomsnittliga elektriska aktiviteten faller under ett visst tröskelvärde börjar nervcellerna aktivt bygga nya kontaktpunkter. Dessa är grunden för nya synapser som ger ytterligare input - neuronens avfyrningshastighet ökar. Detta fungerar också tvärtom: så snart aktivitetsnivån överskrider en övre gräns minskas antalet synaptiska anslutningar för att förhindra överexcitation - neuronens avfyrningshastighet sjunker. Liknande former av homeostas förekommer ofta i naturen, till exempel vid reglering av kroppstemperatur och blodsockernivåer.
Markus Butz betonar dock att detta inte fungerar utan en viss minimal excitation av nervcellerna: ”En neuron som inte längre får några stimuli förlorar ännu fler synapser och kommer att dö av efter en tid. Vi måste ta hänsyn till denna begränsning om vi vill att resultaten av våra simuleringar överensstämmer med observationerna. ” Använda syncentrum som ett exempel har neurovetenskaparna studerat principerna enligt vilka neuroner bildar nya kopplingar och överger befintliga synapser. I denna region av hjärnan, omkring 10% av synapser regenereras kontinuerligt. När näthinnan är skadad ökar denna procentsats ännu längre. Genom att använda datasimuleringar lyckades författarna rekonstruera omorganiseringen av neuronerna på ett sätt som överensstämmer med experimentella resultat från visuell cortex hos möss och apor med skadade retinas.
Den visuella cortex är särskilt lämplig för att demonstrera den nya tillväxtregeln, eftersom den har en egenskap som kallas retinotopi: Detta innebär att punkter som projiceras bredvid varandra på näthinnan också är anordnade bredvid varandra när de projiceras på den visuella cortexen, bara som på en karta. Om områden på näthinnan skadas, får cellerna på vilka tillhörande bilder projiceras olika ingångar. "I våra simuleringar kan du se att områden som inte längre får någon inmatning från näthinnan börjar bygga tvärbindningar, vilket gör att de kan ta emot fler signaler från sina närliggande celler", säger Markus Butz. Dessa tvärbindningar bildas långsamt från kanten av det skadade området mot centrum, i en process som liknar läkning av ett sår tills den ursprungliga aktivitetsnivån är mer eller mindre återställd.
Synaptisk och strukturell plasticitet
"Den nya tillväxtregeln ger strukturell plasticitet en princip som är nästan lika enkel som synaptisk plasticitet", säger medförfattare Arjen van Ooyen, som har arbetat med modeller för utveckling av neurala nätverk i årtionden. Redan 1949 upptäckte psykologprofessor Donald Olding Hebb att kopplingar mellan neuroner som ofta aktiveras blir starkare. De som utbyter lite information blir svagare. Idag tror många forskare att denna hebbiska princip spelar en central roll i lärande och minnesprocesser. Medan synaptisk plasticitet Inom huvudsakligen involverade i kortsiktiga processer som tar från några millisekunder till flera timmar, sträcker sig strukturell plasticitet över längre tidsskala, från flera dagar till månader.
Strukturell plasticitet spelar därför en särskilt viktig del under den (tidiga) rehabiliteringsfasen hos patienter som drabbats av neurologiska sjukdomar, som också varar i veckor och månader. Visionen som driver projektet är att värdefulla idéer för behandling av strokepatienter kan bero på exakta förutsägelser av synapsbildning. Om läkarna visste hur en patients hjärnstruktur kommer att förändras och omorganiseras under behandlingen, kan de bestämma de ideala tiderna för stimulerings- och vilafaser och därigenom förbättra behandlingseffektiviteten.
Nytt tillvägagångssätt för många applikationer
”Det antogs tidigare att strukturell plasticitet också följer principen för hebbisk plasticitet. Resultaten antyder att strukturell plasticitet istället styrs av den homeostatiska principen, som inte har beaktats tidigare, säger professor Abigail Morrison, chef för Simulation Laboratory Neuroscience vid Jülich. Hennes team integrerar redan den nya regeln i den fritt tillgängliga simuleringsmjukvaran NEST, som används av många forskare världen över.
Dessa resultat är också relevanta för Human Brain Project. Neurovetenskapsmän, medicinska forskare, datavetare, fysiker och matematiker i Europa arbetar hand i hand för att simulera hela den mänskliga hjärnan på högpresterande datorer i nästa generation för att bättre förstå hur den fungerar. ”På grund av den komplexa synaptiska kretsen hos människan hjärna, det är inte troligt att dess feltolerans och flexibilitet uppnås baserat på regler för statisk anslutning. Det krävs därför modeller för en självorganisationsprocess, säger professor Markus Diesmann från Jülichs institut för neurovetenskap och medicin, som är involverad i projektet. Han är chef för Computational and Systems Neuroscience (INM-6), en underinstitut som arbetar vid gränssnittet mellan neurovetenskaplig forskning och simuleringsteknik.
Utforska vidare: Lär dig hur du ska se: Forskare hittar en viktig avbrytare i visuell utveckling
Mer information: En enkel regel för dendritisk ryggrad och axonal boutonbildning kan ta hänsyn till kortikal omorganisering efter fokala retinala skador, Markus Butz, Arjen van Ooyen, PLoS Comput Biol (publicerad online 10 oktober 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259
;
