Модель нервной системы головастика подскажет, как лечить болезни опорно-двигательной системы

Роман Борисюк из Института математических проблем биологии РАН и его коллеги из Великобритании построили компьютерную модель роста и взаимодействия аксонов, нервных отростков, в спинном мозге головастика.

Модель позволяет исследовать, как взаимодействующие аксоны образуют пучки и как это влияет на структуру связей между нервными клетками, управляющую плаванием головастика. Эти результаты могут быть полезны для понимания принципов регенерации поврежденных аксонов спинного мозга и стратегии лечения при нарушении движений. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

В настоящее время изучение работы мозга является одной из ключевых задач мировой науки. Несмотря на значительные финансовые ресурсы, выделяемые на поддержание большого числа научных проектов, прогресс в изучении мозга весьма скромный. Одним из основных препятствий является трудность в исследовании структуры связей между областями мозга и отдельными клетками (нейронами).

Это связано с тем, что 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, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию Planet Today.

Математики в сотрудничестве с нейробиологами придумали метод, который позволяет на виртуальной модели детально изучить как образуются связи между нейронами. В качестве объекта был выбран хорошо изученный нейрофизиологами двухдневный головастик лягушки Xenopus. Построенная на компьютере структура межнейронных связей после запуска в нее электрической активности воспроизвела режим плавания, являющийся основной поведения головастика. Но на этом исследователи не остановились. Они решили воспроизвести в модели недавно открытое биологами свойство аксонов, отростков нервных клеток по которым идут импульсы, притягиваться друг к другу или отталкиваться. Из экспериментов известно, что имеются так называемые "пионеры", ‑ аксоны, которые прорастают первыми, а за ними уже начинают расти все последующие. 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 воспроизводила этот процесс. И оказалось, что способность плавания головастика в модели, в которой аксоны растут, взаимодействуя друг с другом, проявляется значительно лучше. Образование пучков аксонов делает функциональные свойства модели, в данном случае способность к плаванию, более устойчивыми к возможным повреждениям. Такие детали полезны для понимания принципов регенерации поврежденных аксонов спинного мозга у человека и стратегии лечения при нарушении движений.