Новое исследование отдела нейробиологии развития Института психиатрии и психологии & Нейробиология, Королевский колледж Лондона, проливает свет на роль слоев в мозге. Исследование, опубликованное сегодня в Neuron, показывает, что формирование слоев ускоряет развитие нейронных цепей, хотя, что удивительно, это не критично для установления функциональных и специфичных для клеточного типа связей.
Наш мозг содержит миллиарды нейронов, связанных триллионами синапсов. Несмотря на эту огромную сложность, паттерн связности в мозге очень упорядочен и стереотипен у людей одного и того же вида. Общей организационной особенностью мозга является расположение синаптических связей по слоям. Почему мозг так устроен, неизвестно. Ключ к разгадке значения слоев в мозге дает наблюдение, что синапсы не распределяются между разными слоями случайным образом. Вместо этого конкретный слой будет содержать синапсы между конкретными подтипами нейронов, что приведет к формированию слоев, содержащих синапсы с аналогичными функциональными свойствами. Таким образом, привлекательная идея состоит в том, что расслоение мозга во время развития является необходимым этапом в развитии синапсов между конкретными подтипами нейронов, т.е.е. слои гарантируют, что тип ячейки A будет подключаться только к ячейке типа B, а не к типам ячеек C и D, например. Однако существует мало экспериментальных доказательств, демонстрирующих роль слоев в установлении специфичных для типа клеток связей между нейронами.
Исследователи из отдела нейробиологии развития Николас Николау и Мартин Мейер использовали зрительную систему рыбок данио в качестве модельной системы, чтобы по-новому взглянуть на роль слоев в мозге. Основная визуальная область мозга рыбок данио, оптическая оболочка, получает входные данные от глаза через аксоны ганглиозных клеток сетчатки (RGC). Эти аксоны организованы в виде высокоточного ламинарного массива внутри тектума. У заблудших мутантов рыбок данио, несущих мутацию в гене robo2, слоистое расположение RGC в тектуме утрачено. Авторы использовали заблудшего мутанта для изучения того, как потеря слоистой нейронной архитектуры влияет на функциональное развитие связей между аксонами RGC и их целевыми нейронами в тектуме. Исследование сосредоточено на разработке схем выбора направления, которые позволяют животному определять, в каком направлении движутся объекты.
Неожиданный результат исследования заключается в том, что у относительно зрелых личинок заблудших рыбок данио функциональные свойства избирательных цепей идентичны тем, которые наблюдаются у нормальных рыбок данио. Более того, авторы обнаружили, что аксонам RGC удалось соединиться с целевыми нейронами заблудшего мутанта тектума. Эти результаты показывают, что формирование слоев не является необходимым для установления функциональных и специфичных для клеточного типа связей. Кроме того, было обнаружено, что роль гена robo2 заключалась в том, чтобы направлять рост не только аксонов RGC, но и их целевых нейронов в общую пластинку.
Если слои в конечном итоге не требуются для формирования функциональных нейронных цепей, то для чего они нужны?? Одна идея состоит в том, что, направляя рост соответствующих нейронов на общий слой, Robo2 облегчает контакт между нейронами. Такой механизм ускорит процесс сборки схемы. Чтобы проверить эту идею, авторы провели ту же серию экспериментов на гораздо более молодых личинках рыбок данио. У этих молодых животных наблюдался серьезный дефицит в развитии цепей, избирательных по направлению. В совокупности эти результаты предполагают, что многоуровневая нейронная архитектура в конечном итоге незаменима для правильной разводки цепей, но ламинация необходима для быстрого функционального развития этих нейронных сетей.
«Показав, что ламинирование ускоряет функциональное развитие цепей в головном мозге, мы предоставили экспериментальные данные, показывающие, для чего нужны слои. Для личинок рыбок данио, которые в решающей степени зависят от зрения для выживания, скорость действительно имеет значение ”, – сказал Николас Николау, первый автор исследования.
Мартин Мейер, старший автор исследования, сказал: «Наше исследование также показывает, насколько поразительно пластичен и адаптируется развивающийся мозг. Тот факт, что нейроны могут в конечном итоге найти друг друга и в конечном итоге сформировать функционально нормальные связи, когда сигналы ламинирования потеряны, был тем, чего мы не ожидали. Возможно, поняв такую пластичность, мы сможем получить важное представление о том, как восстанавливать цепи, поврежденные травмой или болезнью.’