Сегодня речь пойдет об узорах в живой природе.
Многие биологические объекты формируются из повторяющихся похожих элементов. Так бутоны цветов выстраиваются из лепестков, так у птиц форма крыла создается похожими, но различными по длине перьями. И также мозг можно представить в виде узора из нейронов.
Недавно ученые из Стенфорда решили выяснить, по каким правилам в мозгу формируются узоры из нейронов. Исследователи опирались на тот факт, что в мозгу множество разных типов нейронов, а выполнение каких-либо задач требует согласованной работы нейронов сразу несколько типов. Конечной целью работы было создание модели роста нейронной сети, которая показывает, как правильным типам нейронов располагаться в нужных местах и выстраивать мозг.
В качестве экспериментальной основы исследования ученые выбрали наблюдение за мозгом Schmidtea mediterranea. Это плоский червь длиной около миллиметра с подходящей для таких экспериментов способностью заново отращивать голову после ампутации) Чтобы отметить различные типы нейронов использовали флуоресцентные красители, после чего наблюдали за растущим мозгом червя с помощью микроскопов высокого разрешения. Контрастное изображение из светящихся нейронов и всего остального позволило зафиксировать узоры для дальнейшего анализа закономерностей роста.
Оказалось, что нейроны одного типа всегда расположены на достаточно больших расстояниях друг от друга, а пространство между ними заполнено нейронами других типов. Таким образом, нейроны одного типа никогда не взаимодействуют друг с другом напрямую, но всегда работают со своими ближайшими соседями – нейронами других типов. При этом такой паттерн повторяется снова и снова по всему мозгу плоского червя, образуя непрерывную нейронную сеть.
Структуры, построенные по похожим принципам, в физике и химии известны в связи с явлением перколяции (от лат. percōlāre – просачиваться, протекать), которое описывает протекание или непротекание жидкостей через пористые материалы. С позиций математики такие системы первым рассмотрел Де Волсон Вуд в 1894 году, предложив следующую задачу:
«Равное число белых и чёрных шаров одинакового размера бросают в прямоугольный ящик. Какова вероятность того, что будет непрерывный контакт белых шаров от одного конца ящика до другого?»
Как нетрудно увидеть, даже в оригинальной постановке Вуда задача имеет явные параллели со структурой мозга. Но в случае мозга есть еще одно важное дополнительное требование к структуре – клетки мозга плотно упакованы, т.е. кластеры из нейронов обязательно лежат вплотную друг к другу. Поэтому ученым при построении перколяционной модели, математически описывающей сеть из нейронных кластеров, пришлось решать еще и вопрос о максимально возможном заполнении системы кластерами – джемминге.
В результате удалось разработать математическую модель роста клеток мозга и прояснить механизм формирование мозговой ткани. Но эту модель можно использовать шире. Изменяя ее биологическое наполнение, можно описывать и другие ткани в человеческом организме.
Очевидно, что такая модель станет существенным подспорьем для биоинженеров, занимающихся синтезом различных тканей из стволовых клеток. Стимулируя преобразование стволовых клеток в специализированные, можно получить ткани печени, почек или сердца, но при этом клетки должны формировать правильные узоры, чтобы органы работали. Понятно, что в таком деле математическая модель сильно повышает шансы на успех.
Впечатляющая работа.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.