Материалы портала «Научная Россия»

Модель нервной системы головастика подскажет, как лечить болезни опорно-двигательной системы

Модель нервной системы головастика подскажет, как лечить болезни опорно-двигательной системы
Эти результаты могут быть полезны для понимания принципов регенерации поврежденных аксонов спинного мозга человека и стратегии лечения при нарушении движений

Роман Борисюк из Института математических проблем биологии РАН и его коллеги из Великобритании построили компьютерную модель роста и взаимодействия аксонов, отростков нервных клеток, в спинном мозге головастика. Модель позволяет исследовать, как взаимодействующие аксоны образуют пучки и как это влияет на структуру связей между нейронами и нейронную активность, управляющую плаванием головастика. Эти результаты могут быть полезны для понимания принципов регенерации поврежденных аксонов спинного мозга человека и стратегии лечения при нарушении движений. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

В настоящее время изучение работы мозга является одной из ключевых задач мировой науки. Несмотря на значительные финансовые ресурсы, выделяемые на поддержание большого числа научных проектов, прогресс в изучении весьма скромный. Одним из основных препятствий является трудность в исследовании структуры связей между областями мозга и отдельными клетками (нейронами). Это связано с тем, что 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 позволило создать компьютерную модель, способную определять связи между нейронами. В качестве объекта был выбран относительно простой и хорошо изученный нейрофизиологами двухдневный головастик лягушки вида Xenopus. Идея состояла в том, чтобы изучать появление связей в процессе развития нейронной системы. Компьютерная модель, построенная на основе экспериментальных данных об анатомии нейронов в спинном мозге головастика, воспроизводит процесс роста аксонов и образования синаптических связей.

Роман Борисюк, главный научный сотрудник Лаборатории нейронных сетей ИМПБ РАН«Мы придумали метод, который позволяет на виртуальной модели детально изучить, как образуются связи между нейронами. Этот важный результат базируется на принципиальном использовании математического и компьютерного описания роста аксонов».

Замечательным образом оказалось, что правильная структура межнейронных связей приводит к тому, что компьютерная модель нейронной активности воспроизводит режим плавания, являющийся основной поведения головастика.

У двухдневного головастика, длиной 5 мм, на каждой стороне тела имеется примерно по тысяче нейронов, а количество связей, образующихся в процессе роста 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 электрическая активность, и сеть начила 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 говорит 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 сможет облегчить понимание того, что происходит в нервной системе человека при инициации движения. Одна из форм болезни Паркинсона проявляется в том, что у пациента имеются трудности с началом движения. И в этом случае есть надежда, что разработанная модель поможет понять, какие аномалии в структуре нейронной сети, контролирующей двигательную активность, могут вести к подобным симптомам.

Роман Борисюк«Модель роста аксонов, которую мы предложили, была очень простой, однако позволила воспроизвести связи между нейронами, определяющими правильное и надежное плавание. 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, а 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 плавания головастика в модели, в которой аксоны растут, взаимодействуя друг с другом, проявляется значительно лучше. Образование пучков аксонов делает функциональные свойства модели, в данном случае способность к плаванию, более устойчивыми к возможным повреждениям.

Роман Борисюк«Имеется мало моделей, которые учитывают притяжение аксонов. Важность нашей модели связана с тем, что в ней понятно, как образуются пучки волокон в процессе роста аксонов, какие факторы влияют на рост аксонов и формирование пучков. Такие детали очень важны, поскольку они могут быть полезны для понимания принципов регенерации поврежденных аксонов спинного мозга и стратегии лечения при нарушении движений».

аксоны межнейронные связи мозг нейроны

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий