Формирование нейронных сетей через деление клеток: как нейроны мозга соединяются в процессе развития

Исследователи из ETH Zurich разработали модель, объясняющую, как нервные клетки в мозге соединяются в процессе развития. Их модель показывает, что ключевым фактором является прогрессивное деление клеток. Этот процесс естественным образом приводит к формированию молекулярных "адресов", позволяющих аксонам нейронов находить путь.

Человеческий мозг — самый сложный орган, созданный природой: 100 миллиардов нервных клеток, каждая из которых соединена с другими клетками через множество контактов. Однако остаётся неясным, как этот исключительный орган формируется из неструктурированного кластера эмбриональных клеток.

Генетическая информация и сложность

Гены не могут содержать достаточно информации для детального описания всего коннектома (совокупности нейронов и их связей), так как для этого потребовалось бы в миллиард раз больше данных, чем есть в ДНК. Вопрос в том, как люди и животные рождаются со сложным, в значительной степени предструктурированным мозгом, позволяющим быстро обучаться.

Компактный метод поиска вместо детального плана

Ответ на эту загадку, по мнению исследователей, удивительно прост. Инструкции для "проводки" мозга закодированы генетически, но это не детальный коннектом, а компактный метод поиска. Этот метод затем используется аксонами — длинными отростками нейронов, устанавливающими контакт с другими клетками. Сеть строится путём поиска аксонами клеток, которые являются генетическими "родственниками" их собственного нейрона.

Модель роста ткани

Новый механизм описан в статье, опубликованной в журнале PLOS Computational Biology. Исследователи разработали модель, позволяющую имитировать развитие мозга мыши на эмбриональной и взрослой стадиях (что соответствует зрелости шестилетнего ребёнка у человека).

Модель начинается с одной клетки. При появлении новых нейронов каждое деление клетки приводит к структурированным изменениям в экспрессии генов. Этот механизм гарантирует, что каждая дочерняя клетка имеет сходную, но не идентичную экспрессию генов со своей родительской клеткой, и что клетки со сходной экспрессией генов группируются рядом друг с другом. Эта организация клеток маркирует их, как точки на карте, которую биология мозга может использовать для навигации аксонов.

Иерархия генетических маркеров

В процессе эмбрионального развития устанавливается иерархия генетических маркеров в разных областях мозга, каждая из которых характеризуется генетическим паттерном общих предков. Навигация в пространстве, описываемом этой иерархией, похожей на карту, включает следование систематической последовательности генетических профилей, которые развивались с каждым новым поколением клеток.

Исследователи проанализировали данные об экспрессии генов в мозге мыши, опубликованные Allen Institute for Brain Science в Сиэтле. Сравнение лабораторных данных с их симуляциями показало значительное совпадение. Экспрессия генов фактически делит мозг на различные, но связанные области.

Поиск родственных клеток

На второй стадии модели клетки соединяются с другими клетками. Аксонам даются лишь базовые инструкции о том, какие молекулярные сигналы использовать для навигации. По сути, каждый аксон получает команду проследить генетические паттерны, определившие его собственное индивидуальное развитие. Затем сами аксоны следуют молекулярным указаниям к "адресам" своих "родственников".

Исследователи показали, что этот относительно простой механизм может направлять аксоны к определённым клеткам на большие расстояния, создавая коннектом, очень похожий на коннектом реального мозга мыши. Большинство клеток соединяются с другими, расположенными поблизости, в то время как некоторые достигают очень удалённых регионов. Это создаёт различные области мозга, каждая из которых содержит тесно связанные сети, одновременно будучи соединённой с другими областями.

Эта простая модель не полностью объясняет картирование реального человеческого мозга, но это и не было целью работы. Исследователи стремятся понять принцип создания органа, способного к обучению. Проведённая работа указывает направление для будущих исследований.