Естественная гибель нейронов влияет на развитие мозга

27 апреля 2021

Нейроученые создали модель развития коры головного мозга позвоночных. Также они изучили нарушения, которые возникают при закладке ее слоев. Своим исследованием ученые поделились в журнале Cerebral Cortex.

Шесть слоев коры головного мозга человека, гистологический срез с разными вариантами окрашиваний / Human Neuroanatomy 8th Ed. 1983 Baltimore, Williams & Wilkins.

Объединение нейронов в слои — это одно из характерных свойств нервной системы позвоночных. Такая структура встречается в коре головного мозга, сетчатке, гиппокампе и других частях центральной нервной системы. Изучение того, как формируются слои при развитии коры мозга, крайне важно: многие патологии, такие как расстройства аутистического спектра, шизофрения и эпилепсия, связаны с нарушениями в укладке слоев при развитии эмбриона. Большую роль в этом играет программируемая гибель нейронов — апоптоз. Именно он позволяет изменять толщину слоев.

«Большая часть нервных клеток умирает до рождения организма, но было неясно, для чего они рождаются, если гибнут на такой ранней стадии. Моделирование показало, что апоптоз нейронов играет важную роль в развитии мозга, поскольку влияет на толщину слоев коры, разнообразие и плотность клеток», — отмечает Маркус Кайзер (), профессор Ноттингемского университета.

Разработанная модель показывает, как формируется кора головного мозга на основе правил, записанных в генах. Она описывает стадии апоптоза в эмбриогенезе и определяет число нейронов в разных областях коры у мыши, крысы, обезьяны и человека. Точность вычислений поражает.

Серым цветом показано количество нейронов, полученное экспериментально, белым — при помощи вычислений. Credit: Roman Bauer et al / Cerebral Corte 2021

Модель позволила создать системы, содержащие 7000, 11000, 16000 и 24000 нейронов коры головного мозга человека, крысы, мыши и обезьяны соответственно.

Для моделирования использовалась среда с открытым исходным кодом «Cx3Dp: http://www.ini.uzh.ch/projects/cx3d/

Ученые исследовали две фазы развития коры головного мозга: деление клеток-предшественников и дифференциация с миграцией нейронов в их окончательное положение в коре головного мозга. Промежутки времени между фазами определялись на основе предыдущих нейробиологических исследований. После каждой фазы происходил апоптоз нейронов, который также учитывался моделью. Кроме того, в расчет включались механические силы, действующие на соседние нейроны, и вещества, выделяемые клетками.

Ученые создали модель не только здорового мозга, но и патологических вариантов развития. Им удалось обнаружить, что повышенная вероятность апоптоза на ранних этапах закладки слоев мозга приводит к изменениям, наблюдаемым при полимикрогирии (с лат. «много маленьких извилин»). При этой патологии истончается кора мозга и увеличивается ее складчатость, что может проявляться слабоумием, судорогами и эпилептическими припадками.

К изменениям коры, характерным для расстройств аутистического спектра, напротив, приводила низкая вероятность апоптоза на поздних этапах развития коры головного мозга. При этом плотность нейронов повышалась, слои утолщались и разделение между ними было менее выраженным. Полученные данные подтверждаются экспериментальными результатами.

Возможно, в будущем врачи смогут влиять на апоптоз нейронов в определенные моменты формирования мозга и предотвратят развитие этих заболеваний. Также, по словам авторов исследования, следует тщательнее изучить апоптопическое воздействие веществ, которые вводятся во время беременности и могут использоваться в раннем детстве.

Текст: Вера Васильева

Creative Destruction: A Basic Computational Model of Cortical Layer Formation by Roman Bauer et al in Cerebral Cortex. Published February 2021.

https://doi.org/10.1093/cercor/bhab003