Процесс формирования человеческого мозга, начинающийся с единственной клетки и завершающийся созданием сети из 170 миллиардов элементов (нейронов и клеток глии), долгое время оставался загадкой. Традиционно считалось, что клетки ориентируются в пространстве исключительно благодаря химическим сигналам, которые передаются от соседей.
Как из одной клетки развиваются сложнейшие нейронные сети нашего мозга
Ученые из Лаборатории Колд-Спринг-Харбор представили теорию самоорганизации мозга. Исследователи выяснили, как миллиарды нейронов безошибочно находят свои места, формируя сложнейшие структуры без использования дальнодействующих химических сигналов, что имеет большое значение для биологии и ИИ.
Вспышка разума. https://scienmag.com/
«Биологический шум». В огромном развивающемся организме химические градиенты часто бывают нестабильными и хаотичными. Если бы мозг полагался только на них, малейшая ошибка в концентрации белка приводила бы к фатальным сбоям в архитектуре нейронных связей. Опора на клеточное происхождение служит своего рода жестким внутренним каркасом, который гарантирует правильную топологию мозга даже при внешних помехах. Это объясняет, почему структура мозга остается поразительно стабильной у разных особей одного вида, несмотря на индивидуальные различия в условиях развития плода.
Но такая система эффективна лишь на малых расстояниях, так как концентрация веществ быстро падает — «запахи» ощущаются недалеко. Новая работа предлагает элегантное решение проблемы масштабируемости: клетки определяют свое положение, опираясь на собственную родословную. Это означает, что «адрес» нейрона заложен в его происхождении, а не только во внешних подсказках. Такой механизм позволяет структурам мозга развиваться упорядоченно, даже когда орган достигает огромных размеров, при которых простая диффузия молекул не работает. Работа опубликована в журнале Neuron.
Рыбка данио-рерио. На рыбках этого вида строились модели
Соавтор работы Стен Керстьенс объясняет этот принцип такой аналогией: «Потомки селятся рядом со своими родителями, поэтому люди, имеющие общих предков, оказываются в соседних регионах, создавая крупномасштабные географические структуры даже без связи на больших расстояниях. Мы утверждаем, что подобный принцип действует и в развивающемся мозге. Клетки, происходящие от одного и того же предка, имеют тенденцию оставаться рядом друг с другом».
Каждый нейрон решает фундаментальные вопросы своего существования — где он находится и кем должен стать — основываясь на генеалогической близости. Это открытие подтвердилось в ходе масштабных вычислений и экспериментов на эмбрионах мышей и рыбок данио-рерио.
Универсальный код развития
Нейробиологи отследили паттерны экспрессии по тысячам генов в двух соседних областях мозга рыбки данио-рерио, окрашенных в красный и синий цвета.
Авторы исследования разработали модель размещения на основе линий происхождения, которая доказывает, что наследственный механизм работает вместе с химическими сигналами. Это позволяет биологическим системам сохранять точность сборки при резком увеличении числа клеток.
Теория имеет большое значение не только для нейробиологии, но и для онкологии, помогая понять, как развиваются опухоли. Кроме того, принципы самоорганизующихся клеточных иерархий могут лечь в основу создания новых архитектур искусственного интеллекта. Понимание того, как из одной клетки вырастает мозг, приближает науку к разгадке эволюционного происхождения человеческого интеллекта и механизмов его воспроизводства в искусственных системах.