Учёным удалось построить компьютерную модель роста и взаимодействия отростков нервных клеток в спинном мозге головастика – аксонов. Она позволяет исследовать, как аксоны могут образовывать пучки и как это влияет на структуру связей между нейронами и нейронную активность, управляющую плаванием головастика. Эти результаты могут пригодиться для понимания процесса регенерации поврежденных нейронов в спинном мозге человека, а также при лечении двигательных нарушений.
Объектом исследования стал двухдневный головастик лягушки вида Xenopus. Специалисты должны были изучать появление связей в процессе развития нейронной системы. Компьютерная модель воспроизводит процесс роста аксонов и образования синаптических связей.
«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», — прокомментировал работу соавтор Роман Борисюк, главный научный сотрудник Лаборатории нейронных сетей Института математических проблем биологии РАН.
Правильная структура межнейронных связей приводит к тому, что компьютерная модель нейронной активности воспроизводит режим плавания, являющийся основой поведения головастика.
Двухдневный головастик на каждой стороне тела имеет по тысяче нейронов, а количество связей, который получаются в процессе роста нейронов, порядка ста тысяч. Детали роста аксонов и формирования синапсов удалось выяснить с помощью искусственной нейронной сети, генерируемой на компьютере. В сети затем была запущена электрическая активность, после чего она начала работать автономно.
Часть нейронов запрограммирована на управление движениями тела — их называют мотонейронами. Когда мотонейроны, ассоциированные с одной частью тела, срабатывали, на другой половине они находились в 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.
Учёные уверены, что технология способна облегчить понимание того, что происходит в нервной системе человека в то время, когда он собирается совершить движение. Например, одна из форм болезни Паркинсона проявляется в том, что пациенту трудно начать какое-либо движение.
«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», — добавил Борисюк.
Чтобы описать феномен, нужна была модель более реалистичная. Необходимо было учитывать одновременный рост аксонов, которые оказывают 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, от чего образуются пучки. Даже слабое притяжение аксонов приводит к образованию подобных пучков. Новая модель воспроизводила этот процесс. Оказалось, что способность плавания головастика проявляется значительно лучше в модели роста аксонов с учетом взаимодействия.
«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», — подытожил Борисюк.
Выделите ее и нажмите Ctrl + Enter