Исследователи из Sinai Health использовали крошечного червяка, чтобы отследить, как мозг животного изменяется на протяжении всей его жизни, проливая новый свет на то, как развивается человеческий мозг.
В новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature , ученые из Исследовательского института Луненфельда-Таненбаума (LTRI) в Sinai Health описывают четыре основных паттерна того, как создаются новые связи в мозге нематодного червя, Caenorhabditis elegans или C. elegans.
«Это первый случай, когда структура мозга выводится и сравнивается на разных стадиях развития, от рождения до взрослой жизни», — сказал доктор Мэй Чжэнь, старший исследователь LTRI. «Эти новые открытия имеют большое значение для фундаментальных правил, которые позволяют созреванию мозга иметь место».
Чжэнь и ее коллеги использовали современные электронные микроскопы, чтобы полностью реконструировать мозг восьми особей C. elegans, чтобы узнать, как он меняется с возрастом. Хотя C. elegans — относительно простой организм, многие из молекулярных сигналов, контролирующих его развитие, также обнаруживаются у более сложных организмов, таких как люди. У них также короткий жизненный цикл, всего две недели, что делает его полезным для изучения их развития.
«Мы исследовали каждое соединение для каждого нейрона и обнаружили, что по мере взросления животных добавляется много новых соединений», — сказал доктор Чжэнь. «Когда мы проанализировали эти соединения, как провода в вычислительной сети, мы обнаружили, что новые дополнения следуют шаблонам, а их коллективные изменения служат одной цели — эффективной обработке информации».
Первая карта связей C. elegans была создана Джоном Уайтом и его коллегами из MRC Кембриджа более 30 лет назад и представляла собой композицию частичных карт нескольких разных червей, в том числе некоторых в разном возрасте развития.
Д-р Даниэль Уитвлит, бывший доктор философии. Студент лаборатории Чжэнь в LTRI руководил текущим исследованием вместе с учеными из Гарвардского института мозга, в том числе доктором. Арави Самуэль и Джефф Лихтман.
Исследователи изучили, как структура мозга червя изменилась как при разрешении одного синапса, так и на уровне геометрии в целом, обнаружив, что несколько структурных свойств в мозгу новорожденного позволяют им правильно предсказать схемы проводки зрелого мозга.
«Наше исследование показывает, что разные части мозга обладают разной степенью гибкости», — сказал доктор Чжэнь. «Знание того, какая часть мозга более пластична, может помочь ученым разработать стратегии преодоления генетической уязвимости к болезням во время развития мозга. Мы гордимся тем, что продолжаем наследие наших пионеров науки».
Выявив некоторые ключевые закономерности развития мозга, исследователи также обнаружили существенные различия в связях, которые делают каждый мозг уникальным.
Доктор Чжэнь сказал, что они заметили последовательные изменения проводки между разными нейронами, где каждое изменение изменяло силу существующих связей и, в свою очередь, создавало новые связи, в конечном итоге изменяя способ обработки информации. В ходе разработки исследователи обнаружили, что их центральная схема принятия решений сохранилась, а ее сенсорные и моторные пути были существенно реконструированы.
