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.
