Схемы мозга формируются конкуренцией за пространство, а не только генетикой

Сложные нейронные схемы у грызунов могут самоорганизовываться, при этом генетика играет лишь второстепенную роль. К такому выводу пришло новое компьютерное моделирование, опубликованное в eLife.

Результаты помогают ответить на ключевой вопрос о том, как мозг создаёт связи в процессе развития. Они показывают, что простые взаимодействия между нервными клетками способствуют формированию сложных схем, делая точный генетический план для такой проводки ненужным. Это открытие может помочь лучше понять расстройства, влияющие на развитие мозга, и найти новые способы лечения состояний, нарушающих нейронные цепи.

Примером сложности мозговой проводки служат цепи, обрабатывающие сенсорную информацию от усов (вибрисс) у грызунов. Они организованы в цилиндрические кластеры — «усовые бочонки» (whisker barrels), которые точно соответствуют расположению усов на морде животного.

«Нейроны внутри одного такого бочонка активируются, когда касаются соответствующий ус, — объясняет ведущий автор Себастьян Джеймс. — Эта точная связь делает систему вибрисс идеальной для изучения проводки мозга».

Учёные использовали компьютерное моделирование, чтобы выяснить, может ли такая схема возникнуть без точного генетического плана. Их симуляции показали, что в тесном пространстве развивающегося мозга грызунов жёсткая конкуренция за место между нервными волокнами от разных усов заставляет их концентрироваться в кластеры, специфичные для каждого уса. Расположение этих кластеров в карту, соответствующую усам, поддерживается простыми паттернами экспрессии генов в ткани мозга.

Модель также успешно воспроизвела результаты экспериментов, отслеживающих влияние потери уса у крысы на развитие её мозга. «Наши симуляции показали, что модель можно точно использовать для тестирования того, как факторы внутри и вне мозга влияют на развитие корковых полей», — говорит соавтор Лия Крубитцер.

Авторы предполагают, что эту и подобные вычислительные модели можно адаптировать для изучения развития более крупных и сложных мозгов, включая человеческий.

«Многие базовые механизмы развития в коре грызунов, как считается, применимы и к развитию остальной коры и могут помочь в исследованиях различных нарушений нейроразвития и восстановления после травм мозга, — заключает старший автор Стюарт Уилсон. — Помимо сокращения числа экспериментов на животных, изучение параметров таких вычислительных моделей может дать новое понимание того, как развитие и эволюция взаимодействуют, формируя мозг млекопитающих, включая нас самих».