Dirbdami su savaitės senumo zebrafish lerva, Weill Cornell Medicine mokslininkai ir kolegos iššifravo, kaip smegenų kamieno neuronų tinklo suformuoti ryšiai nukreipia žuvies žvilgsnį.
Tyrimas, paskelbtas lapkričio 22 d Gamtos neuromokslainustatė, kad supaprastinta dirbtinė grandinė, pagrįsta šios neuronų sistemos architektūra, gali numatyti tinklo veiklą. Išvados gali ne tik atskleisti, kaip smegenys tvarko trumpalaikę atmintį, bet ir sukurti naujus akių judėjimo sutrikimų gydymo metodus.
Organizmai nuolat priima daugybę jutiminės informacijos apie aplinką, kuri kinta kiekvieną akimirką. Kad būtų galima tiksliai įvertinti situaciją, smegenys turi išlaikyti šiuos informacijos grynuolius pakankamai ilgai, kad galėtų juos panaudoti, kad susidarytų išsamus vaizdas, pavyzdžiui, susiejant žodžius sakinyje arba leisti gyvūnui nukreipti akis į dominančią sritį.
„Pagrindinis projekto tikslas yra bandyti suprasti, kaip šis trumpalaikės atminties elgesys generuojamas nervinio mechanizmo lygmeniu“, – sakė vyresnysis autorius dr. Emre Aksay, Weill Cornell Medicine fiziologijos ir biofizikos docentas, vadovavęs tyrimui. tyrime kartu su daktaru Marku Goldmanu iš Kalifornijos Deiviso universiteto ir daktaru Sebastianu Seungu iš Prinstono universiteto.
Dinaminės sistemos modeliavimas
Norėdami iššifruoti tokių neuronų grandinių elgseną, neurologai naudoja dinaminių sistemų įrankius, kurie apima matematinių modelių kūrimą, apibūdinančius, kaip laikui bėgant keičiasi sistemos būsena, kai dabartinė būsena nustato būsimas būsenas pagal taisyklių rinkinį.
Pavyzdžiui, trumpalaikės atminties grandinė išliks vienoje pageidaujamoje būsenoje, kol atsiras naujas dirgiklis, dėl kurio ji nusistovi į naują veiklos būseną. Vizualinėje-motorinėje sistemoje kiekviena iš šių būsenų gali išsaugoti atmintį, kur gyvūnas turėtų žiūrėti.
Bet kokie parametrai padeda nustatyti tokio tipo dinaminę sistemą? Viena iš galimybių yra grandinės anatomija: jungtys, kurios susidaro tarp kiekvieno neurono ir kiek jungčių jie sudaro.
Kita tikėtina galimybė yra fiziologinis šių jungčių stiprumas, kurį lemia daugybė veiksnių, tokių kaip išsiskiriančio neurotransmiterio kiekis, sinapsinių receptorių tipas ir tų receptorių koncentracija.
Norėdami suprasti grandinės anatomijos indėlį, daktaras Aksay ir jo bendradarbiai pažvelgė į zebrafinių lervų. Sulaukę penkių dienų, šios žuvelės plaukioja aplink ir medžioja grobį – įgūdis reikalauja nuolatinio regėjimo dėmesio. Mokslininkų komandai svarbu tai, kad smegenų sritis, kontroliuojanti akių judėjimą, yra struktūriškai panaši žuvims ir žinduoliams. Tačiau zebrafish sistemoje yra tik 500 neuronų.
„Taigi, mes galime išanalizuoti visą grandinę – mikroskopiškai ir funkciškai“, – sakė daktaras Aksay. „Tai labai sunku padaryti kitiems stuburiniams gyvūnams.”
Zebrafish nušviečia neuronų grandines
Naudodami daugybę pažangių vaizdo gavimo metodų, dr. Aksay ir jo kolegos nustatė neuronus, kurie dalyvauja kontroliuojant gyvūnų žvilgsnį, ir tada nustatė, kaip šie neuronai yra sujungti. Jie išsiaiškino, kad sistemą sudaro dvi ryškios grįžtamojo ryšio kilpos, kurių kiekvienoje yra trys glaudžiai sujungtų ląstelių grupės.
Tyrėjai naudojo šią išskirtinę architektūrą, kad sukurtų skaičiavimo modelį. Jie nustatė, kad jų dirbtinis tinklas gali tiksliai numatyti zebrafish grandinės aktyvumo modelius, kuriuos jie patvirtino palyginę rezultatus su fiziologiniais duomenimis.
„Visų pirma laikau save fiziologu“, – sakė daktaras Aksay. „Taigi, buvau nustebęs, kiek grandinės elgesio galime numatyti vien iš anatominės architektūros.
Toliau tyrėjai ištirs, kaip kiekvienos klasterio ląstelės prisideda prie grandinės elgesio ir ar skirtingų grupių neuronai turi skirtingus genetinius parašus. Tokia informacija leistų gydytojams terapiškai nukreipti tas ląsteles, kurios gali sutrikti akių judėjimo sutrikimų atveju.
Išvados taip pat pateikia planą, kaip atskleisti sudėtingesnes skaičiavimo sistemas smegenyse, kurios remiasi trumpalaike atmintimi, pvz., dalyvaujančias vaizdinių scenų iššifravime ar kalbos supratimu.