Netværkssamling gennem celledeling:Hvordan nerveceller i hjernen forbindes under udvikling

ETH Zürich-forskere har udviklet en model, der forklarer, hvordan nerveceller i hjernen forbindes under udvikling. Deres model afslører, at den afgørende faktor er progressiv celledeling. Denne proces fører naturligt til dannelsen af ​​molekylære adresser, der lader neuroner navigere.

Den menneskelige hjerne er langt det mest komplekse organ, som naturen nogensinde har produceret:100 milliarder nerveceller, der hver er forbundet med andre celler via flere kontaktpunkter, sikrer, at vores færdighedssæt inkluderer kapaciteten til bemærkelsesværdig hjernekraft. Men præcis hvordan dette enestående organ formår at danne sig fra det, der starter som en ustruktureret klynge af embryonale celler, er stadig uklart.

Ingen konkret plan

I løbet af de sidste par år er enorme summer af forskningsmidler blevet skænket til netop at kortlægge strukturen af ​​den fuldt dannede hjerne. Det videnskabelige samfund håber, at en omfattende kortlægning af neuroner og deres forbindelser - kendt under ét som connectomet - vil give en bedre forståelse af, hvordan hjernen fungerer.

Men det komplementære grundlæggende spørgsmål om, hvordan hjernen dannes ud fra begrænset genetisk information, forbliver ubesvaret. For at beskrive forbindelsen skal gener indeholde en milliard gange mere information, end de faktisk gør. Så hvordan er det, at mennesker og dyr fødes med en kompleks, stort set præstruktureret hjerne, der gør dem i stand til at gøre hurtige læringsfremskridt næsten lige så snart de er født?

Instruktioner til tilslutning

Svaret på dette puslespil er overraskende enkelt, siger Stan Kerstjens, en doktorand ved Institut for Neuroinformatik ved ETH Zürich og Zürichs Universitet, og hans to rådgivere Richard Hahnloser, professor i systemneurovidenskab, og Rodney Douglas, professor emeritus i neuroinformatik .

"Det er klart, at instruktionerne til at forbinde hjernen skal være genetisk kodet - ellers ville folks hjerner ikke alle udvikle en lignende struktur," siger Kerstjens. "Det er dog ikke det detaljerede connectom, der er kodet, men derimod en enkelt kompakt søgemetode. Denne metode kan så bruges af axonerne, de lange fibre, der etablerer kontakt med andre celler. Netværket bygges derefter af axoner, der søger efter celler, der er genetiske slægtninge til deres eget neuron."

Rumlig og genetisk struktur

Denne nye mekanisme er beskrevet i en artikel offentliggjort for nylig i tidsskriftet PLOS Computational Biology . Forskerne har udviklet en model, der giver dem mulighed for at simulere udviklingen af ​​en musehjerne på foster- og voksenstadier. I menneskelige termer svarer dette til modenhedsstadiet for et seks-årigt barn.

"I bund og grund er det en vækstmodel for væv," forklarer Kerstjens. Modellen starter med en enkelt celle. Efterhånden som nye neuroner dukker op, fører hver celledeling til strukturerede ændringer i genekspression. Denne mekanisme sikrer, at hver dattercelle har en lignende, men ikke identisk, genekspression til sin forælder, og at celler med lignende genekspression er grupperet i nærheden af ​​hinanden. Den udviklingsmæssige påbudte organisering af cellerne får dem til at blive markeret som punkter på et kort, som hjernens biologi kan bruge til axonnavigation.

Systematisk sekvens af celler

Under embryonal udvikling etablerer denne proces et hierarki af genetiske markører i forskellige områder af hjernen, som hver især er karakteriseret ved det genetiske mønster af dets fælles forfædre. At navigere i rummet beskrevet af dette kortlignende hierarki involverer at følge en systematisk sekvens af genetiske profiler, der er udviklet med hver ny generation af celler.

Her analyserede forskerne genekspressionsdata på hjernen hos mus, som blev offentliggjort af Allen Institute for Brain Science i Seattle. "Vi sammenlignede laboratoriedataene med vores simuleringer og så, at de stort set stemte overens. Så vi ser, at genernes ekspression faktisk deler hjernen op i distinkte, men relaterede regioner," forklarer Kerstjens.

Søger efter relaterede celler

I modellens anden fase forbinder cellerne sig med andre celler. "Her giver vi dem kun grundlæggende instruktioner om, hvilke molekylære signaler axonerne skal bruge til at guide dem på vej," fortsætter Kerstjens. "I bund og grund bad vi hver enkelt om at spore de genetiske mønstre, der bestemte dens egen individuelle udvikling. Det var derefter op til axonerne selv at følge de molekylære anvisninger til deres relationers adresser."

Forskerne har været i stand til at vise, at denne relativt simple mekanisme kan føre axoner til bestemte celler over store afstande, hvilket producerer et connectom, der ligner en rigtig musehjerne. "De fleste af cellerne forbinder sig med andre, der er placeret tæt på, mens nogle få når helt til meget fjerne områder. Dette giver anledning til adskilte områder af hjernen, som hver indeholder tætte netværk, samtidig med at de er forbundet med andre områder. ," siger forskerne.

Alligevel forklarer denne simple model ikke fuldt ud kortlægningen af ​​en rigtig menneskelig hjerne. "Men det var ikke målet med vores arbejde," siger Kerstjens. "Vi ønsker at forstå princippet om, hvordan et organ, der er i stand til at lære, skabes. Og det arbejde, vi har udført til dato, viser os, hvilken retning fremtidig forskning kan tage." + Udforsk yderligere

Fjerne områder af den menneskelige hjerne er forbundet med overraskende få forbindelser