Математики открыли правила, по которым растет мозг

МОСКВА, 13 мар — РИА Новости. Американские ученые, используя данные микроскопических наблюдений и математические алгоритмы их обработки, обнаружили, закономерность, в соответствии с которой выстраиваются нейроны в растущем мозге плоского червя. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Ученые из Стэнфордского университета изучили процесс формирования мозга планарии — плоского червя длиной несколько миллиметров, у которого отрезанная голова каждый раз отрастает заново.

Исходя из того, что мозг содержит много разных типов нейронов, и что для выполнения каких-либо задач всегда требуется несколько типов, работающих согласованно, исследователи поставили перед собой задачу раскрыть невидимые модели роста, которые позволяют определенным типам нейронов располагаться рядом друг с другом в определенных частях мозга.

"Как клетки с определенными функциями организуют себя, чтобы создать живую ткань? — Приводятся в пресс-релизе университета слова руководителя исследования Бо Вана (Bo Wang), доцента кафедры биоинженерии. — Мы решили ответить на этот вопрос, изучая мозг, потому что обычно предполагалось, что мозг слишком сложен, чтобы иметь простое правило формирования паттернов. Мы удивились, когда обнаружили, что такое правило действительно существует".

Другими словами, ученые выяснили, что у мозга есть своя схема, которая регулирует рост клеток мозга, со своим принципом самоорганизации, со своим узором, как у пера птицы или листа растения.

Ученые с помощью флуоресцентных красителей отметили различные типы нейронов в мозге плоского червя. Затем они использовали микроскоп высокого разрешения для охвата изображения всего мозга, которое затем подвергали цифровой обработке для поиска математических правил организации нейронов.

Авторы обнаружили, что каждый нейрон окружен примерно дюжиной таких же, как он нейронов, но расположенных не вплотную. Между ними разбросаны нейроны других типов. По мнению ученых, это, с одной стороны, позволяет нейронам определенного типа действовать слаженно, а с другой — участвовать в решении самых различных задач совместно с нейронами других типов. Данный паттерн повторяется снова и снова по всему мозгу плоского червя, образуя непрерывную нейронную сеть.

Соавторы исследования, математики Цзянь Цинь (Jian Qin) и Сиань Кон (Xian Kong) разработали цифровую модель, описывающую это уникальное расположение, позволяющее каждый раз нейронам определенного типа оказываться близко друг от друга, но не контактировать непосредственно.

Ученые считают, что созданная ими модель может быть адаптирована для изучения формирования паттернов нейронов в мозге человека, а также будет полезна для успешной биоинженерии искусственных тканей и органов. Биоинженеры ищут пути использования стволовых клеток общего назначения для создания специализированных клеток, которые образуют печень, почки или сердце. Но вырастить специализированные клетки мало, пишут авторы статьи, их надо еще расположить в правильные узоры, чтобы сердце забилось.

"Вопрос о том, как организмы превращаются в формы, выполняющие полезные функции, веками очаровывал ученых, — говорит Ван. — В нашу технологическую эпоху мы не ограничиваемся пониманием моделей роста на клеточном уровне, но также можем найти способы реализации этих правил для биоинженерных приложений".

Авторы надеются, что созданная ими техника позволит со временем выращивать из стволовых клеток сменные части тела.