Одной из самых важных и удивительных особенностей мозга является способность динамически перенастраивать соединения для обработки и правильности реагирования на стимулы.
Материалы и методы обследования
Модель мозга in vitro, разработанная исследователями, состоит из четырех взаимосвязанных модулей. Каждый модуль представляет собой специализированную схему нейронов (например, зрение или слух). Эти четыре модуля покрыты адгезивными белками и питательными веществами, где развиваются нейроны. Нейроны связаны между собой внутри модуля и с другими нейронами в других модулях. Прецизионная нейроинженерия позволяет контролировать соединения, идущие от одного модуля к другому, и, следовательно, позволяет регулировать уровень физической связи между модулями. Стимулы этой модели соответствуют нейронным спонтанным активациям.
Используя флуоресцентную кальциевую визуализацию для выявления нейронных активаций, исследователи изучали способность схемы интегрироваться спонтанно в зависимости от уровня связности между модулями и другими факторами.
Результаты научной работы
Исследователи из Университета Тохоку (Tohoku University) в Японии и Университета Барселоны (University of Barcelona), используя инструменты нейроинженерии, создали нейронные схемы in vitro, которые воспроизводят способность сегрегации и интеграции схем мозга и позволяют исследователям понять ключи динамической реконфигурации. Исследование было опубликовано в научном журнале Science Advances.
Динамическая реконфигурация понимается как усиление или ослабление связей путем увеличения или уменьшения активности нейронов. В мозге увеличение сцепления нейронных цепей известно как интеграция, а уменьшение называется сегрегацией.
«Это исследование показывает важность модульной организации для максимизации гибкости нейронной цепи, а также показывает потенциал инструментов in vitro и биофизических моделей для прогресса в понимании коллективных явлений в такой увлекательной и богатой сложной системе, как мозг», – говорит автор исследования Жорди Сориано (Jordi Soriano), сотрудник Института сложных систем Университета Барселоны (UBICS).
Интеграция связана с быстрым обменом информацией между различными и удаленными цепями, а сегрегация связана с обработкой информации в локализованных схемах. Мозг переходит от изолированного состояния к интегрированному в зависимости от природы и силы стимулов. Динамическая реконфигурация позволяет создавать и уничтожать физические соединения, стратегия неэффективна как энергетически дорогостоящая. Поэтому стимулы, которые поступают через зрение, слух и обоняние, обрабатываются изолированным образом в коре головного мозга, чтобы частично или полностью интегрироваться в соответствии с потребностями. Пока мы смотрим фильм, мы интегрируем изображения и звуки, игнорируя запахи и другие стимулы. Однако, когда мы замечаем запах чего-то горящего, мозг вводит предупреждение, чтобы мы интегрировали и проанализировали всю имеющуюся информацию, чтобы принимать быстрые решения.
Несмотря на важность интеграции и сегрегации, биофизические механизмы, связанные с динамическими реконструкциями, до сих пор не совсем понятны. Кроме того, еще одним неизвестным элементом является чувствительность способности интеграции-сегрегации относительно количества существующих физических связей между областями мозга.
«Мы видели, что схема полностью интегрирована или изолирована, когда количество подключений между модулями слишком велико или слишком мало. Оптимальная схема заключается в том, что, когда четыре модуля имеют соединение чуть ниже минимума для интеграции, так что импульсы нейронной активности достаточны для усиления соединений и полной интеграции. Эффективно эта оптимальная схема работает в режиме, где интеграция и сегрегация сосуществуют. Конечно, наблюдаемая динамика все еще далека от сложности в реальном мозге, но мы смогли получить представление о фундаментальных механизмах формирования динамики мозга», – отмечает соавтор исследования Хидеаки Ямамото (Hideaki Yamamoto) из Университета Тохоку.
Авторы другого исследования утверждают, что раскрыта природа иммунных клеток в мозге человека.
