Удивительные навыки самоорганизации мозга

Раскрытие того, как нейронные цепи достигают баланса между возбуждением и торможением.

Команда исследователей из Тюбингена и Израиля показывает, как структуры мозга могут поддерживать функцию и стабильную динамику даже в необычных условиях. Их результаты могут заложить основы для лучшего понимания и лечения таких состояний, как эпилепсия и аутизм.

Удивительные навыки самоорганизации мозга

Нейроны в нашем мозгу связаны друг с другом, образуя небольшие функциональные единицы, называемые нейронными цепями. Нейрон, связанный с другим через синапс, может передавать информацию второму нейрону, посылая сигнал. Это, в свою очередь, может побудить второй нейрон передать сигнал другим нейронам в нейронной цепи. Если это произойдет, первый нейрон, скорее всего, будет возбуждающим нейроном: тем, который побуждает срабатывать другие нейроны. Но нейроны с прямо противоположной задачей не менее важны для функциональности нашего мозга: тормозящие нейроны, которые снижают вероятность того, что нейроны, с которыми они связаны, отправят сигнал другим.

Взаимодействие возбуждения и торможения имеет решающее значение для нормальной работы нейронных сетей. Его нарушение регуляции связано со многими неврологическими и психическими расстройствами, включая эпилепсию, болезнь Альцгеймера и расстройства аутистического спектра.

Из клеточных культур в лаборатории...



Удивительные навыки самоорганизации мозга

Интересно, что доля тормозящих нейронов среди всех нейронов в различных структурах мозга (таких как неокортекс или гиппокамп) остается неизменной на протяжении всей жизни человека и составляет от 15 до 30 процентов. «Это вызвало у нас любопытство: насколько важна эта конкретная пропорция?», – вспоминает Анна Левина, исследователь из Тюбингенского университета и Института биологической кибернетики Макса Планка. «Могут ли нейронные цепи с разным соотношением возбуждающих и тормозных нейронов нормально функционировать?» Её сотрудники из Научного института Вейцмана в Реховоте (Израиль) разработали новый эксперимент, который позволил бы ответить на эти вопросы. Они выращивали культуры, содержащие разные, даже экстремальные соотношения возбуждающих и тормозящих нейронов.


Удивительные навыки самоорганизации мозга

Затем ученые измерили активность этих искусственно созданных тканей мозга. «Мы были удивлены, что сети с различным соотношением возбуждающих и тормозных нейронов оставались активными, даже когда эти отношения были очень далеки от естественных условий», – объясняет аспирант Левиной Олег Виноградов. «Их активность кардинально не меняется, пока доля тормозных нейронов остается где-то в диапазоне от 10 до 90 процентов». Кажется, что нейронные структуры могут компенсировать свой необычный состав, чтобы оставаться стабильными и функциональными.


Удивительные навыки самоорганизации мозга

... к теоретическому пониманию


Итак, естественно, исследователи задали следующий вопрос: какой механизм позволяет тканям мозга адаптироваться к этим различным условиям? Учёные предположили, что сети адаптируются, регулируя количество соединений: если тормозящих нейронов мало, они должны брать на себя бóльшую роль, создавая больше синапсов с другими нейронами. И наоборот, если доля тормозящих нейронов велика, возбуждающие нейроны должны компенсировать это установлением большего количества связей.

Теоретическая модель тюбингенских ученых может объяснить экспериментальные данные их коллег из Реховота и раскрыть механизмы, помогающие поддерживать стабильную динамику в мозге. Результаты дают более четкую картину того, как баланс возбуждения/торможения сохраняется и где он не работает в живых нейронных сетях. В более долгосрочной перспективе они могут быть полезны для развивающейся области точной медицины: индуцированные нейронные культуры, полученные из плюрипотентных стволовых клеток, могут быть использованы для поиска механизмов нейропсихиатрических расстройств и новых лекарств.

ScienceDaily
А. Миронова (перевод)

Похожие темы




Интересное в разделе «Наука»

Постные блюда

Новое