Теоретическая модель помогает понять сложные морфологические события в развивающихся нейронах

Нейробиологи из Каролинского института совместно с теоретическими физиками из IST-Austria, используя живую визуализацию в модели рыбки данио и аналитическую теорию, выявили универсальный принцип, позволяющий предсказывать трехмерное ветвление аксонов (морфогенез).

Ветвление — ключевой биологический процесс при органогенезе, происходящий как в отдельных клетках (нейронах), так и в группах клеток (например, при ангиогенезе или формировании легких). Известно, что морфогенез ветвления направляется как внутренними механизмами (экспрессия транскрипционных факторов, локальные взаимодействия клеток), так и внешними сигналами среды.

Вклад внутренних и внешних сил

Исследователи создали теоретическую модель для количественной оценки вклада внутренних и внешних сил в формирование конечной геометрии разветвленных структур. Фокус исследования был сосредоточен на взаимодействии двух параметров:

• Локальные сигналы (самоизбегание).
• Глобальное направляющее влияние внешних сигналов (сила поля).

Используя в качестве модели развивающиеся нейроны и рост их дендритного дерева, ученые обнаружили, что каждый из этих факторов можно искусственно настроить для создания разнообразных сложных ветвящихся структур, очень похожих на морфогенез сенсорных аксонов in vivo.

Математическая модель и подтверждение in vivo

Для аналитического понимания влияния каждого параметра на конечную структуру теоретические физики вывели континуальную теорию Фоккера-Планка. Эта математическая модель позволила выявить несколько общих черт в конечных разветвленных структурах и была подтверждена данными in vivo о ветвлении нейронов в трехмерной модели рыбки данио.

Важность междисциплинарного сотрудничества

«Интересно, что разработанная теоретическая модель может быть применена к любой ветвящейся структуре, которая формируется за счет роста на кончиках, что часто происходит, например, при ангиогенезе, где возникают аналогичные вопросы о внешнем управлении и локальной самоорганизации. Это исследование подчеркивает важность тесного сотрудничества между экспериментаторами и теоретиками для интеграции экспертизы и получения практических прогнозов на основе фундаментальных законов и биологических наблюдений», — говорит доктор Саида Хаджаб, соавтор и инициатор проекта.

Исследование проведено в сотрудничестве с учеными из Каролинского института и Института науки и технологий (IST), Австрия.