Нейронный зигзаг: как достигнуть цели и «прийти» к синапсу?

МЕНЮ


Искусственный интеллект. Новости
Поиск

ТЕМЫ


Новости ИИРабота разумаВнедрение ИИРобототехника, БПЛАТрансгуманизмОбработка текстаТеория эволюцииДополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информации

RSS


RSS новости

Авторизация



Новостная лента форума ailab.ru

2018-01-04 12:25

нейронные сети

Можно ли заставить нейроны расти целенаправленно, чтобы подробно изучить то, как именно они будут это делать и объединяться друг с другом? Учёные из НИИ Нейронаук в Нижнем Новгороде смогли реализовать такую задачу с помощью своих микрофлюидных устройств, которые состояли из разных микрокамер, соединённых под разными углами. О результатах своих экспериментов они рассказали в журнале Scientific Reports.

Архитектура нейрональных сетей в мозге – это один из основных механизмов, с помощью которых организуются и поддерживаются его функции. Есть участки мозга, состоящие из хорошо организованных слоев нейронов, соединенных однонаправленными синаптическими связями (например, кора и гиппокамп), есть менее упорядоченные структуры. Реинжиниринг нейронных цепей с гетерогенной сетевой структурой в культуре может раскрыть фундаментальные механизмы информационных функций этих цепей.

Схема предполагаемого роста клеток и внешний вид камер. (А) Схематическое изображение нейронной сети в устройстве с двумя камерами и микроканалами. Форма микроканала обеспечивает рост аксона от источника к целевой камере. (Б) Схематическое изображение роста аксона рост через узкие места (С) формы: “шипы”, “треугольники” и “зигзаги”. Характерные размеры: ширина (W) = 60-160 µm, ширина «бутылочного горлышка» (W) = 5 µm, высота = 5 µm, длина (L) = 66, 70, 100, 200 µm. Credit: Alexey Pimashkin et al.


Специально для этого нижегородские учёные провели исследование, в рамках которого разработали микрофлюидное устройство с ассиметричными микроканалами. Сделали это для того, чтобы проследить динамику роста первичных гиппокампальных нейронов и выявить влияния формы каналов, в которых их растят, на направления роста нервных клеток. Таким образом, устройство представляет собой набор камер с микроканалами различных форм – симметричных и ассиметричных.

Исследователи пытались не только выявить влияние формы канала на особенности нейронального роста, но и искали оптимальную геометрию камер для того, чтобы растущие в соседних каналах клетки могли образовать связи друг с другом для образования экспериментального «коннектома». Для подтверждения связи между нейронами в жидкостные системы были вмонтированы микроэлектроды, чтобы определять электрическую активность наблюдаемых клеток и фиксировать их «общение» через микроканалы между двумя отделениями.

Микрофлюидный чип с микросхемами для однонаправленного роста аксонов между двумя сетями клеточных культур. D) Микрофлюидный чип с 9 вариациями 3 типов микроканалов. (Е) Микроструйный чип с микроканалами треугольной формы. Ширина узкого места (ш) = 7 мкм, Ширина (W) = 60 мкм, Длина (L) = 200 мкм. Credit: Alexey Pimashkin et al.


Вот что помогли обнаружить эти мудрёные камеры: по результатам фотосъёмки каждые 20 минут в течение нескольких дней получались данные о стратегиях нейронального роста. Через двое суток после начала культивирования клетки начинали высвобождать дендриты в камеры в направлении от «Источника» к «Цели».

Обнаружено, что нейриты, идущие из камеры «источник» без проблем проросли в узкие отверстия микроканалов, а те, которые росли из «целевой» камеры, проходили, как правило, одно узкое место, но затем шли по широким боковым стенкам канала, где встречали ловушку. Интересно, что в некоторых случаях нейриты не останавливались и не втягивались, а продолжали искать возможные направления и могли изменять угол роста до 180°.

DIVdays in vitro, количество дней эксперимента. Снимки, сделанные через 5 дней после начала эксперимента и еще через некоторое время, наглядно демонстрируют направление и стратегию роста нейронов – сначала образовывалось множество невритов, но затем, после установки оптимального направления, аксон рос в этом направлении. Между тем, нейрон, пытавшийся вырасти из противоположной камеры с большим трудом достигал узкого отверстия для образования синапса. Помимо этого, от формы канала зависело время нахождения нейронами отверстий для роста. Credit: Alexey Pimashkin et al.


После исследователи оценивали эффективность направленного роста для каждого типа каналов. Для этого определялось расстояние, на котором аксон из камеры «источник» встречался с отростком встречного нейрона. Эта длина могла характеризовать эффективность микроканала для нейронального роста. Помимо этого оценивался и средний угол поворота нейрона для достижения цели.

Разные скорости роста аксонов в разных отверстиях. Credit: Alexey Pimashkin et al.


Ещё исследователи решили измерить скорость роста аксона, что тоже представляет собой немаловажный фактор в прохождении таких сложных отверстий.

Установлено, что максимальная скорость роста наблюдалась в треугольной форме сечений с самым малым размером. Этот результат объясняется малой внутренней площадью сечения, что ограничивает траекторию роста внутри канала. Кроме того, узкие места – довольно гладкие, что помогало поддерживать динамику удлинения без зацепок за посторонние объекты и шероховатости.

Также для направленного роста важно угловое отклонение нейронов. Посмотрите еще раз на первый и второй рисунки: после нескольких изгибов нейрон начинает расти более или менее прямо. Это обеспечивалось тем, что нейроны отклонялись не более чем на 30 градусов, а то и вовсе росли прямо после прохождения микроканалов.

В ходе роста нейроны демонстрировали электрическую активность. Особенно при прохождении через узкие микроканалы, видимо, для поиска навстречу растущих нейронов. В итоге эта активность приводила к улучшению поиска и корректировке направленности роста аксонов по направлению друг к другу. Чем электроактивнее был нейрон, тем выше оказывались его шансы на образование синапсов.

В этой объёмной работе исследователи показали роль различных факторов в выборе стратегии роста для нейронов. Возможно, это поможет лучше понять системы организации коры, гиппокампа и, может быть, даже менее упорядоченных структур головного мозга. Кстати, интересно, будет ли влиять реинжиниринг на функциональные особенности нейронных сетей?

Credit: Alexey Pimashkin et al.


Текст: Дарья Тюльганова

Design of Cultured Neuron Networks in vitro with Predefined Connectivity Using Asymmetric Microfluidic Channels by Arseniy Gladkov, Yana Pigareva, Daria Kutyina, Vladimir Kolpakov, Anton Bukatin, Irina Mukhina, Victor Kazantsev & Alexey Pimashkin in Scientific Reports. Published 2017.

doi:10.1038/s41598-017-15506-2


Источник: neuronovosti.ru