Головастик научит правильно двигаться

Головастик научит правильно двигаться

В Институте математических проблем биологии РАН построили компьютерную модель роста и взаимодействия аксонов – отростков нервных клеток –  спинного мозга головастика.

Изучение работы мозга – одна из ключевых задач мировой науки. Но, несмотря на значительные финансовые ресурсы, выделяемые на её решение, прогресс весьма скромный. Одно из главных препятствий – трудность исследования связей между областями мозга и отдельными клетками (нейронами). Синапсов – мест контакта, где происходит передача информации от одного нейрона к другому, много, а размеры их очень малы. Увидеть синапсы и измерить их параметры достаточно сложно.

Сотрудничество математиков с нейробиологами принесло первые плоды. В качестве объекта был выбран относительно простой и хорошо изученный двухдневный головастик лягушки Xenopus. Идея состояла в том, чтобы по мере его роста изучать развитие нейронной системы, появление связей, а затем построить компьютерную модель.

«На нашей виртуальной модели можно детально изучить, как образуются связи между нейронами. Этот важный результат базируется на принципиальном использовании математического и компьютерного описания роста аксонов», – рассказал Роман Борисюк, главный научный сотрудник Лаборатории нейронных сетей ИМПБ РАН.

У двухдневного головастика, длиной 5 мм, на каждой стороне тела имеется примерно по тысяче нейронов, а количество связей, образующихся в процессе роста этих нейронов, порядка ста тысяч. Детали того, как растут аксоны и формируются синапсы, удалось выяснить с помощью искусственной нейронной сети, генерируемой на компьютере.

После того, как искусственная сеть сформировалась, в ней запустили электрическую активность, и сеть начала функционировать автономно. Нейроны обладают специализацией: часть из них, так называемые мотонейроны, запрограммированы на управление движениями тела головастика. Когда мотонейроны, ассоциированные с одной частью тела, срабатывали, на другой половине они находились в латентном (неактивном) состоянии.

Это свидетельствует о том, что мышцы одной части тела сокращаются и виртуальный головастик поворачивает в одну сторону. Затем сокращается вторая половина, и тело поворачивает в другую сторону. В результате воспроизводится процесс плавания. Исследователи считают, что это поможет понять, что при инициации движения происходит в нервной системе человека. Одна из форм болезни Паркинсона как раз и проявляется в том, что у пациента возникают трудности с началом движения.

«Модель роста аксонов, которую мы предложили, была очень простой, однако позволила воспроизвести связи между нейронами, определяющими правильное и надёжное плавание, – рассказал Роман Борисюк. –  Биологи недавно открыли свойство близлежащих аксонов притягиваться друг к другу (или отталкиваться). Получается, что рост аксонов зависит от взаимного расположения, то есть аксоны «чувствуют» друг друга».

Для описания этого феномена понадобилась более реалистичная модель. В ней необходимо было учесть одновременный рост многих аксонов, оказывающих взаимное влияние друг на друга. Из экспериментов известно, что имеются так называемые «пионеры» – аксоны, которые прорастают первыми, за ними уже начинают расти все остальные. Пионеры как бы притягивают к себе другие аксоны, расположенные с ними по соседству. Таким образом, образуются пучки волокон. Даже слабое притяжение аксонов приводит к образованию подобных пучков. Новая модель способна воспроизводить этот процесс. И оказалось, что способность к плаванию головастика в модели, в которой аксоны растут, взаимодействуя друг с другом, проявляется значительно лучше.

Результаты этой работы, выполненной совместно с учёными из Великобритании, будут полезны для понимания процессов регенерации повреждённых аксонов спинного мозга человека и стратегии лечения людей с нарушениями моторики. Её результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.

0 не понравилось

21-12-2017 14:00 | просмотров 18 |

Прямая ссылка:
BB-code ссылка:
HTML ссылка:
Понравилась статья? ПОДЕЛИСЬ в соц. сетях!
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Похожие новости

Ученые создали виртуальную модель регенерации нервных окончаний

Российские ученые и их британские коллеги смоделировали на компьютере процесс восстановления нервных окончаний. По их словам, разработка может помочь медикам в лечении травмированного спинного мозга.

Обнаружен вид бактерий, которые «общаются» друг с другом с помощью электрич ...

Принято считать, что бактерии — существа весьма слаборазвитые и они живут лишь для того, чтобы «разделиться надвое», тем самым продолжив свой род, но это не совсем так. Многие бактерии объединяются в

В Гарвардском университете выращен искусственный мозг, состоящий из трех об ...

  Специалисты Гарвардского университета вырастили невероятно сложно устроенный искусственный мозг, который состоит из трех автономных областей, между которыми могут формироваться нейронные

Повреждения мозга у мышей удалось устранить за счет пересадки стволовых кле ...

Мозг человек — это биологическое чудо с внушительными навыками. К сожалению, регенерации в их числе нет. За исключением одной маленькой V-образной области в гиппокампе, человеческий мозг практически

Ученые создали очень сложную виртуальную модель части мозга крысы

Долгие годы ученым приходилось прибегать к вскрытию, чтобы изучить анатомию того или иного живого организма. Даже сегодня докторам нередко приходится препарировать органы и другие части тел, чтобы

Ученые создали самую сложную на сегодняшний момент модель человеческого моз ...

Ученые из Университета штата Огайо (США) вырастили практически полноценный эквивалент человеческого мозга с размером и структурным развитием пятинедельного плода. Самая сложная на данный момент
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.