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.
«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», — говорит Роман Борисюк, главный научный сотрудник Лаборатории нейронных сетей ИМПБ РАН.
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 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 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.
«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», — комментирует Борисюк.
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.
«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», — добавляет ученый.
Текст: Татьяна Небольсина