Forskere opdager de matematiske regler, der understøtter hjernevækst

Livet er fyldt med mønstre. Det er almindeligt, at levende ting skaber en gentagende serie af lignende træk, efterhånden som de vokser:tænk på fjer, der varierer lidt i længden på en fugls vinge eller kortere og længere kronblade på en rose.

Det viser sig, at hjernen ikke er anderledes. Ved at anvende avanceret mikroskopi og matematisk modellering, Stanford-forskere har opdaget et mønster, der styrer væksten af ​​hjerneceller eller neuroner. Lignende regler kunne styre udviklingen af ​​andre celler i kroppen, og forståelsen af ​​dem kan være vigtig for succesfuld bioingeniørkunst af kunstige væv og organer.

Deres studie, udgivet i Naturfysik , bygger på, at hjernen indeholder mange forskellige typer neuroner, og at det kræver flere typer, der arbejder sammen for at udføre nogen opgaver. Forskerne ønskede at afdække de usynlige vækstmønstre, der gør det muligt for de rigtige slags neuroner at arrangere sig i de rigtige positioner for at bygge en hjerne.

"Hvordan arrangerer celler med komplementære funktioner sig til at konstruere et fungerende væv?" sagde studie medforfatter Bo Wang, en adjunkt i bioteknik. "Vi valgte at besvare det spørgsmål ved at studere en hjerne, fordi det var almindeligt antaget, at hjernen var for kompleks til at have en simpel mønsterregel. Vi overraskede os selv, da vi opdagede, at der var, faktisk, sådan en regel."

Hjernen de valgte at undersøge tilhørte en planar, en millimeter lang fladorm, der kan gro et nyt hoved igen hver gang efter amputation. Først, Wang og Margarita Khariton, en kandidatstuderende i sit laboratorium, brugt fluorescerende pletter til at markere forskellige typer neuroner i fladormen. De brugte derefter højopløsningsmikroskoper til at fange billeder af hele hjernen - glødende neuroner og det hele - og analyserede mønstrene for at se, om de kunne uddrage de matematiske regler, der styrer deres konstruktion, fra dem.

Hvad de fandt var, at hver neuron er omgivet af omkring et dusin naboer, der ligner sig selv, men der er indblandet blandt dem andre slags neuroner. Dette unikke arrangement betyder, at ingen enkelt neuron sidder fladt mod sin tvilling, mens de stadig tillader forskellige typer komplementære neuroner at være tæt nok til at arbejde sammen for at fuldføre opgaver.

Forskerne fandt ud af, at dette mønster gentages igen og igen på tværs af hele fladorms hjerne for at danne et kontinuerligt neuralt netværk. Studie medforfattere Jian Qin, en adjunkt i kemiteknik, og postdoktor Xian Kong udviklede en beregningsmodel for at vise, at dette komplekse netværk af funktionelle kvarterer stammer fra neuronernes tendens til at pakke sammen så tæt som muligt uden at være for tæt på andre neuroner af samme type.

Mens neurovidenskabsmænd en dag kan tilpasse denne metode til at studere neuronal mønstre i den menneskelige hjerne, Stanford-forskerne mener, at teknikken kunne anvendes mere nyttigt på det nye område inden for vævsteknologi.

Den grundlæggende idé er enkel:vævsingeniører håber at inducere stamceller, den magtfulde, celler til generelle formål, hvorfra alle celletyper stammer, at vokse ind i de forskellige specialiserede celler, der danner en lever, nyre eller hjerte. Men videnskabsmænd bliver nødt til at arrangere de forskellige celler i de rigtige mønstre, hvis de vil have hjertet til at slå.

"Spørgsmålet om, hvordan organismer vokser til former, der udfører nyttige funktioner, har fascineret videnskabsmænd i århundreder, " sagde Wang. "I vores teknologiske æra, vi er ikke begrænset til at forstå disse vækstmønstre på cellulært niveau, men kan også finde måder at implementere disse regler for bioingeniørapplikationer."