Как формируются нейронные карты?

Упорядоченная структура областей мозга определяется не только нейронной связью, но и общим количеством нейронов. Институт Макса Планка (Max Planck Institute) провёл исследование, с помощью которого нашлось простое объяснение тому, каким образом типичным типам нервных клеток находится место в нейронных картах. А опубликовано оно в PNAS.

Дело в том, что человеческий мозг состоит из чрезвычайно сложной сети взаимодействующих друг с другом нейронов (приблизительно в ней насчитывается 86 миллиардов нервных клеток). Все её составляющие непрерывно обмениваются данными. Для успешного функционирования сети важно, чтобы расстояния между кодирующими их свойства клетками оставались короткими.

Например, у млекопитающих, в том числе и у человека, в зрительной системе нейроны действительно расположены относительно близко друг от друга для быстрой передачи информации. Однако то же нельзя найти у грызунов. Исследователи из Франкфуртскового университета, Института исследований мозга Макса Планка и Института нейронаук Эрнста Стрюнгмана изучили, откуда такие существенные отличия между животными по сути одного класса. Помогла им компьютерная модель, с помощью которой обнаружена упорядоченная структура. Причём, нашлось не только соединение в общей цепи, но и общее количество нейронов.

Области нашего мозга контролируют всевозможные задачи, в том числе отвечают за зрение, коммуникацию, память и другие функции. В этих специфических зонах нервные клетки расположены наиболее близко друг к другу, образуя так называемые нейронные «карты». При этом они распознают ориентацию отдельных объектов в нашем поле зрения (вертикальную, горизонтальную и диагональную плоскости). Визуализация в цвете приводит к появлению затейливых узоров на поверхности мозга. Такие «пейзажи» существуют у многих млекопитающих, но грызуны в этом обделены и обладают лишь неструктурированной нейронной картой.

Нейробиологи долго пытались понять причину различий. Исследовательская группа под началом Германа Кунца (Hermann Cuntz) продемонстрировала две совершенно разные модели, которые наглядно показывают зависимость структуры нейронных карт от количества нервных клеток. Такие различия появились из-за меньшей плотности нервных клеток грызунов по сравнению с другими видами млекопитающих.

Модели наглядно показали, что с увеличением числа нейронов карта переходит от неструктурированного состояния к структурированному. В дополнение к быстрому переходу наблюдается постепенное увеличение качества структуры. Хорьки или землеройки имеют более «бедный» состав нейронной карты зрительной коры, чем все остальные близкородственные грызуны.

«Очевидная разница в нейронной карте визуальных систем грызунов может быть вызвана меньшим числом нервных клеток у исследованных видов, поэтому нет существенной разницы в нейронных схемах», — объясняет взаимосвязь главный автор исследования Марвин Вейганд (Marvin Weigand).

Чтобы выявить зависимость структуры нейронных карт и количества соответствующих связей на нейроне, исследовательская группа использовала две модели из разных научных дисциплин. Первая модель основывалась главным образом на увеличении масштаба карты. В этом численном методе объекты сортировались пространственно в соответствии с их похожестью – в этом случае отмечалось сходство схем нервных клеток. Вторая модель – модификация так называемой XY-модели. Эта модель, которая изначально была получена из статистической физики, использовалась Дэвидом Таулесом (David J. Thouless) и Майклом Костерлицем (Michael Kosterlitz) для измерения патологических фаз материи. Она же принесла им Нобелевскую премию в прошлом году по физике.

Кстати, прогнозы, полученные из этих моделей, применимы ко всем возможным нейронным картам и, возможно, могут привести к лучшему пониманию взаимосвязи между количеством нейронов и количеством закодированных областей в мозге.

Текст: Вера Тулунина

Комментарии: