Нова теорія утворення синапсу в мозку
Реорганізація зорової кори: до (зліва) і відразу після пошкодження сітківки (в центрі), а в більш пізній фазі (справа). Більшість нейронів у зоні, де проеціюються зображення з пошкодженої сітківки, можуть досягти свого оригіналу ...більше
Мозок людини постійно змінюється протягом усього життя людини. Постійно створюються нові зв’язки, коли синапси, які вже не використовуються, вироджуються. На сьогоднішній день про механізми цих процесів відомо мало. Нейроінформатик Юліх, доктор Маркус Буц, тепер зміг віднести формування нових нейронних мереж в зоровій корі до простого гомеостатичного правила, яке також є основою багатьох інших саморегулюючих процесів у природі. З цим поясненням він та його колега доктор Аріен ван Оойен з Амстердама також пропонують нову теорію про пластичність мозку - і новий підхід до розуміння процесів навчання та лікування травм та захворювань мозку.
Мізки дорослих людей аж ніяк не є провідними. Вчені за останні кілька років неодноразово встановлювали цей факт, використовуючи різні методи візуалізації. Ця так звана нейропластичність не тільки відіграє ключову роль у навчальних процесах, вона також дає можливість мозку відновитися після травм і компенсувати втрату функцій. Нещодавно дослідники з’ясували, що навіть у дорослому мозку не тільки існуючі синапси адаптуються до нових обставин, але нові зв’язки постійно формуються та реорганізуються. Однак ще не було відомо, як ці природні процеси перестановки контролюються в мозку. У журналі відкритого доступу ПЛОС-обчислювальна біологія, Бутц і ван Ойєн тепер представляють просте правило, яке пояснює, як формуються ці нові мережі нейронів.
"Дуже ймовірно, що структурна пластичність мозку є основою для формування довгострокової пам'яті", - говорить Маркус Буц, який протягом останніх кількох місяців працює у нещодавно створеній Нейронауковій лабораторії моделювання в Центрі суперкомп'ютерів Юліха. “І справа не лише в навчанні. Після ампутації кінцівок, черепно-мозкової травми, виникнення нейродегенеративних захворювань та інсультів утворюється величезна кількість нових синапсів, щоб адаптувати мозок до тривалих змін у структурі вхідних подразників ".
Діяльність регулює утворення синапсу
Ці результати показують, що утворення нових синапсів зумовлене тенденцією нейронів підтримувати "попередньо встановлений" рівень електричної активності. Якщо середня електрична активність опускається нижче певного порогу, нейрони починають активно будувати нові точки контакту. Вони є основою для нових синапсів, які забезпечують додатковий внесок - швидкість випалення нейронів збільшується. Це також працює навпаки: як тільки рівень активності перевищує верхню межу, кількість синаптичних зв’язків зменшується, щоб запобігти перезбудженню - швидкість випалення нейронів падає. Подібні форми гомеостазу часто трапляються в природі, наприклад, при регулюванні температури тіла та рівня цукру в крові.
Однак Маркус Буц наголошує, що це не працює без певного мінімального збудження нейронів: «Нейрон, який більше не отримує жодних подразників, втрачає ще більше синапсів і через деякий час відмирає. Ми повинні взяти це обмеження до уваги, якщо хочемо, щоб результати наших моделювань узгоджувались із спостереженнями ». Використання зорова кора як приклад, неврологи вивчали принципи, згідно з якими нейрони утворюють нові зв’язки та відмовляються від існуючих синапсів. У цій області мозку приблизно 10% від синапси постійно регенеруються. При ураженні сітківки цей відсоток збільшується ще більше. Використовуючи комп’ютерне моделювання, авторам вдалося реконструювати реорганізацію нейронів таким чином, щоб відповідати експериментальним результатам зорової кори мишей та мавп із пошкодженими сітківками.
Зорова кора особливо придатна для демонстрації правила нового зростання, оскільки вона має властивість, яку називають ретинотопією: Це означає, що точки, що проектуються один на одного на сітківку, також розташовані одна біля одної, коли вони проектуються на зорову кору, просто як на карті. Якщо ділянки сітківки пошкоджені, клітини, на які проектуються відповідні зображення, отримують різні входи. "У нашому моделюванні ви можете бачити, що ділянки, які більше не отримують жодного входу від сітківки, починають будувати зшивки, що дозволяє їм отримувати більше сигналів від сусідніх клітин", - говорить Маркус Буц. Ці зшивки утворюються повільно від краю пошкодженої ділянки до центру в процесі, що нагадує загоєння рани, поки початковий рівень активності більш-менш не відновиться.
Синаптична та структурна пластичність
"Правило нового зростання забезпечує структурну пластичність з принципом, який є майже таким же простим, як і синаптична пластичність", - каже співавтор Ар'єн ван Оойен, який десятки років працює над моделями розвитку нейронних мереж. Ще в 1949 році професор психології Дональд Олдінг Хебб виявив, що зв'язки між ними нейрони які часто активуються, стануть сильнішими. Ті, що обмінюються мало інформацією, стануть слабшими. Сьогодні багато вчених вважають, що цей принцип геббіана відіграє центральну роль у процесах навчання та пам’яті. Поки синаптична пластичність в основному в короткочасних процесах, що займають від декількох мілісекунд до декількох годин, структурна пластичність поширюється на більш тривалі масштаби часу, від декількох днів до місяців.
Отже, структурна пластичність відіграє особливо важливу роль під час (ранньої) реабілітаційної фази пацієнтів, уражених неврологічними захворюваннями, яка також триває тижні та місяці. Бачення проекту полягає в тому, що цінні ідеї щодо лікування хворих на інсульт можуть бути результатом точних прогнозів утворення синапсу. Якби лікарі знали, як змінюватиметься та реорганізовуватиметься структура мозку пацієнта під час лікування, вони могли б визначити ідеальний час для фаз стимуляції та відпочинку, тим самим підвищивши ефективність лікування.
Новий підхід для численних застосувань
“Раніше вважалося, що структурна пластичність також відповідає принципу геббістської пластичності. Отримані дані свідчать про те, що структурна пластичність натомість регулюється гомеостатичним принципом, який раніше не враховувався », - говорить професор Ебігейл Моррісон, керівник лабораторії імітаційної нейрології в Юліху. Її команда вже інтегрує нове правило у вільнодоступне програмне забезпечення для моделювання NEST, яке використовується численними вченими по всьому світу.
Ці висновки також мають значення для проекту «Мозок людини». Неврологи, вчені-медики, інформатики, фізики та математики в Європі працюють рука об руку, щоб імітувати весь мозок людини на високопродуктивних комп'ютерах наступного покоління, щоб краще зрозуміти, як він функціонує. “Через складну синаптичну схему в людині мозок, неправдоподібно, що його відмовостійкість та гнучкість досягаються на основі статичних правил підключення. Тому моделі необхідні для процесу самоорганізації », - говорить професор Маркус Дісманн з Інституту нейронауки та медицини Юліха, який бере участь у проекті. Він очолює обчислювальну та системну нейронауку (INM-6), замінник, що працює на межі між нейронауковими дослідженнями та технологією моделювання.
Досліджуйте далі: Повторне навчання, як бачити: Дослідники знаходять важливий перемикач вимкнення у візуальному розвитку
Більш детальна інформація: Просте правило формування дендритного хребта та аксонального бутону може пояснювати коркову перебудову після вогнищевих уражень сітківки, Маркус Бутц, Аржен ван Оойен, PLoS Comput Biol (опубліковано в мережі 10 жовтня 2013); DOI: 10.1371 / journal.pcbi.1003259
;