Головастик научит правильно двигаться
2 мин чтения
Фото pixabay.com

Фото pixabay.com

Математический способ лечения опорно-двигательного аппарата

В Институте математических проблем биологии РАН построили компьютерную модель роста и взаимодействия аксонов – отростков нервных клеток –  спинного мозга головастика.

Изучение работы мозга – одна из ключевых задач мировой науки. Но, несмотря на значительные финансовые ресурсы, выделяемые на её решение, прогресс весьма скромный. Одно из главных препятствий – трудность исследования связей между областями мозга и отдельными клетками (нейронами). Синапсов – мест контакта, где происходит передача информации от одного нейрона к другому, много, а размеры их очень малы. Увидеть синапсы и измерить их параметры достаточно сложно.

Сотрудничество математиков с нейробиологами принесло первые плоды. В качестве объекта был выбран относительно простой и хорошо изученный двухдневный головастик лягушки Xenopus. Идея состояла в том, чтобы по мере его роста изучать развитие нейронной системы, появление связей, а затем построить компьютерную модель.

«На нашей виртуальной модели можно детально изучить, как образуются связи между нейронами. Этот важный результат базируется на принципиальном использовании математического и компьютерного описания роста аксонов», – рассказал Роман Борисюк, главный научный сотрудник Лаборатории нейронных сетей ИМПБ РАН.

У двухдневного головастика, длиной 5 мм, на каждой стороне тела имеется примерно по тысяче нейронов, а количество связей, образующихся в процессе роста этих нейронов, порядка ста тысяч. Детали того, как растут аксоны и формируются синапсы, удалось выяснить с помощью искусственной нейронной сети, генерируемой на компьютере.

После того, как искусственная сеть сформировалась, в ней запустили электрическую активность, и сеть начала функционировать автономно. Нейроны обладают специализацией: часть из них, так называемые мотонейроны, запрограммированы на управление движениями тела головастика. Когда мотонейроны, ассоциированные с одной частью тела, срабатывали, на другой половине они находились в латентном (неактивном) состоянии.

Это свидетельствует о том, что мышцы одной части тела сокращаются и виртуальный головастик поворачивает в одну сторону. Затем сокращается вторая половина, и тело поворачивает в другую сторону. В результате воспроизводится процесс плавания. Исследователи считают, что это поможет понять, что при инициации движения происходит в нервной системе человека. Одна из форм болезни Паркинсона как раз и проявляется в том, что у пациента возникают трудности с началом движения.

«Модель роста аксонов, которую мы предложили, была очень простой, однако позволила воспроизвести связи между нейронами, определяющими правильное и надёжное плавание, – рассказал Роман Борисюк. –  Биологи недавно открыли свойство близлежащих аксонов притягиваться друг к другу (или отталкиваться). Получается, что рост аксонов зависит от взаимного расположения, то есть аксоны «чувствуют» друг друга».

Для описания этого феномена понадобилась более реалистичная модель. В ней необходимо было учесть одновременный рост многих аксонов, оказывающих взаимное влияние друг на друга. Из экспериментов известно, что имеются так называемые «пионеры» аксоны, которые прорастают первыми, за ними уже начинают расти все остальные. Пионеры как бы притягивают к себе другие аксоны, расположенные с ними по соседству. Таким образом, образуются пучки волокон. Даже слабое притяжение аксонов приводит к образованию подобных пучков. Новая модель способна воспроизводить этот процесс. И оказалось, что способность к плаванию головастика в модели, в которой аксоны растут, взаимодействуя друг с другом, проявляется значительно лучше.

Результаты этой работы, выполненной совместно с учёными из Великобритании, будут полезны для понимания процессов регенерации повреждённых аксонов спинного мозга человека и стратегии лечения людей с нарушениями моторики. Её результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.

Читайте нас в мобильном приложении

Если у Вас возник вопрос по материалу, то Вы можете задать его специальной рубрике Задать вопрос В поисках самых мощных ускорителей Вселенной Далее в рубрике В поисках самых мощных ускорителей ВселеннойЧто удалось открыть учёным за время полёта спутника «Ломоносов» Читайте в рубрике «Инновации» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»Сооснователь IT-гиганта представил в Технопарке МФТИ настоящий гоночный болид «Формулы-1» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»
Подписывайтесь на канал rusplt.ru в Яндекс.Дзен
Подписывайтесь на канал rusplt в Дзен
Комментарии
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Дискуссии без купюр.
Читайте «Русскую планету» в социальных сетях и участвуйте в обсуждениях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!