Η ζωή είναι γεμάτη με μοτίβα. Είναι κοινό για τα ζωντανά πράγματα να δημιουργούν μια επαναλαμβανόμενη σειρά παρόμοιων χαρακτηριστικών που αναπτύσσονται: Σκεφτείτε φτερά που ποικίλλουν ελαφρώς σε μήκος στην πτέρυγα ενός πτηνού ή μικρότερα και μακρύτερα πέταλα σε ένα τριαντάφυλλο.
Αποδεικνύεται ότι ο εγκέφαλος δεν είναι διαφορετικός. Χρησιμοποιώντας προηγμένη μικροσκοπία και μαθηματική μοντελοποίηση, οι ερευνητές του Στάφορντ έχουν ανακαλύψει ένα πρότυπο που διέπει την ανάπτυξη των εγκεφαλικών κυττάρων ή των νευρώνων. Παρόμοιοι κανόνες θα μπορούσαν να καθοδηγήσουν την ανάπτυξη άλλων κυττάρων εντός του σώματος και η κατανόησή τους θα μπορούσε να είναι σημαντική για την επιτυχή βιοενέργεια των τεχνητών ιστών και οργάνων.
Η μελέτη τους, που δημοσιεύτηκε στo Nature Physics, βασίζεται στο γεγονός ότι ο εγκέφαλος περιέχει πολλούς διαφορετικούς τύπους νευρώνων και ότι χρειάζονται αρκετούς τύπους που εργάζονται σε συναυλία για να εκτελέσουν οποιαδήποτε καθήκοντα. Οι ερευνητές ήθελαν να αποκαλύψουν τα αόρατα μοτίβα ανάπτυξης που επιτρέπουν στα σωστά είδη νευρώνων να τοποθετηθούν στις σωστές θέσεις για να χτίσουν έναν εγκέφαλο.
"Πώς τα κύτταρα με συμπληρωματικές λειτουργίες οργανώνονται για να κατασκευάσουν έναν λειτουργικό ιστό;" δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Bo Wang, βοηθός καθηγητής της Βιοϊατρικής. "Επιλέξαμε να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα μελετώντας έναν εγκέφαλο, επειδή ήταν κοινώς υποτιθέμενο ότι ο εγκέφαλος ήταν υπερβολικά πολύπλοκος για να έχει έναν απλό κανόνα σχεδίασης. Εκπλήξαμε τον εαυτό μας όταν ανακαλύψαμε ότι υπήρχε ένας τέτοιος κανόνας".
Ο εγκέφαλος που επέλεξαν να εξετάσει ανήκε σε ένα πλανητικό πλατύ σκουλήκι μήκους ενός χιλιοστού που μπορεί να ξανακάνει μια νέα κεφαλή κάθε φορά μετά τον ακρωτηριασμό. Κατ 'αρχάς, ο Wang και η Margarita Hariton, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο εργαστήριό του, χρησιμοποιούσαν φθορίζοντες λεκέδες για να επισημάνουν διάφορους τύπους νευρώνων στο πλατύ σκουλήκι. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν μικροσκόπια υψηλής ανάλυσης για να καταγράψουν εικόνες ολόκληρου του εγκεφάλου - λαμπερούς νευρώνες και όλα - και ανέλυσαν τα πρότυπα για να δουν αν θα μπορούσαν να εξαγάγουν από αυτούς τους μαθηματικούς κανόνες που καθοδηγούν την κατασκευή τους.
Αυτό που διαπίστωσε ήταν ότι κάθε νευρώνας περιβάλλεται από περίπου δώδεκα γείτονες παρόμοιους με τον εαυτό του, αλλά ότι διαστρεβλωμένοι μεταξύ τους είναι άλλα είδη νευρώνων. Αυτή η μοναδική διάταξη σημαίνει ότι κανένας απλός νευρώνας δεν είναι τοποθετημένος ενάντια στο δίδυμο του, ενώ επιτρέπει στους διαφορετικούς τύπους συμπληρωματικών νευρώνων να είναι αρκετά κοντά ώστε να συνεργάζονται για να ολοκληρώσουν τα καθήκοντά τους.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό το μοτίβο επαναλαμβάνεται ξανά και ξανά σε ολόκληρο τον εγκέφαλο των επίπεδων σκουληκιών για να σχηματίσει ένα συνεχές νευρωνικό δίκτυο. Οι συν-συγγραφείς της μελέτης Jian Qin, βοηθός καθηγητή χημείας και ο μεταδιδακτορικός λόγιος Xian Kong, ανέπτυξαν ένα υπολογιστικό μοντέλο για να δείξουν ότι αυτό το πολύπλοκο δίκτυο λειτουργικών γειτονιών προέρχεται από την τάση των νευρώνων να συσσωρεύονται όσο το δυνατόν πιο στενά χωρίς να είναι πολύ κοντά άλλους νευρώνες του ίδιου τύπου.
Ενώ οι νευροεπιστήμονες θα μπορούσαν κάποια μέρα να προσαρμόσουν αυτή τη μεθοδολογία για να μελετήσουν τη νευρωνική διαμόρφωση στον ανθρώπινο εγκέφαλο, οι ερευνητές του Stanford πιστεύουν ότι η τεχνική θα μπορούσε να εφαρμοστεί πιο χρήσιμα στο αναδυόμενο πεδίο της μηχανικής ιστών.
Η βασική ιδέα είναι απλή: οι μηχανικοί ιστών ελπίζουν να προκαλέσουν βλαστοκύτταρα, τα ισχυρά κύτταρα γενικής χρήσης από τα οποία προέρχονται όλοι οι κυτταρικοί τύποι, να αναπτυχθούν στα διάφορα εξειδικευμένα κύτταρα που σχηματίζουν ήπαρ, νεφρό ή καρδιά. Αλλά οι επιστήμονες θα πρέπει να οργανώσουν αυτά τα διαφορετικά κύτταρα στα σωστά μοτίβα, αν θέλουν την καρδιά να νικήσει.
"Το ζήτημα του πώς οι οργανισμοί μεγαλώνουν σε μορφές που εκτελούν χρήσιμες λειτουργίες έχει γοητεύσει τους επιστήμονες για αιώνες", δήλωσε ο Wang. "Στην τεχνολογική μας εποχή, δεν περιοριζόμαστε στην κατανόηση αυτών των προτύπων ανάπτυξης σε κυψελοειδές επίπεδο, αλλά μπορούμε επίσης να βρούμε τρόπους για την εφαρμογή αυτών των κανόνων για εφαρμογές βιο-μηχανικής.
Περισσότερες πληροφορίες: Margarita Khariton et al. Χρωματική νευρωνική εμπλοκή σε ένα πρωτόγονο εγκέφαλο, (2020). DOI: 10.1038 / s41567-020-0809-9
Αποδεικνύεται ότι ο εγκέφαλος δεν είναι διαφορετικός. Χρησιμοποιώντας προηγμένη μικροσκοπία και μαθηματική μοντελοποίηση, οι ερευνητές του Στάφορντ έχουν ανακαλύψει ένα πρότυπο που διέπει την ανάπτυξη των εγκεφαλικών κυττάρων ή των νευρώνων. Παρόμοιοι κανόνες θα μπορούσαν να καθοδηγήσουν την ανάπτυξη άλλων κυττάρων εντός του σώματος και η κατανόησή τους θα μπορούσε να είναι σημαντική για την επιτυχή βιοενέργεια των τεχνητών ιστών και οργάνων.
Η μελέτη τους, που δημοσιεύτηκε στo Nature Physics, βασίζεται στο γεγονός ότι ο εγκέφαλος περιέχει πολλούς διαφορετικούς τύπους νευρώνων και ότι χρειάζονται αρκετούς τύπους που εργάζονται σε συναυλία για να εκτελέσουν οποιαδήποτε καθήκοντα. Οι ερευνητές ήθελαν να αποκαλύψουν τα αόρατα μοτίβα ανάπτυξης που επιτρέπουν στα σωστά είδη νευρώνων να τοποθετηθούν στις σωστές θέσεις για να χτίσουν έναν εγκέφαλο.
"Πώς τα κύτταρα με συμπληρωματικές λειτουργίες οργανώνονται για να κατασκευάσουν έναν λειτουργικό ιστό;" δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Bo Wang, βοηθός καθηγητής της Βιοϊατρικής. "Επιλέξαμε να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα μελετώντας έναν εγκέφαλο, επειδή ήταν κοινώς υποτιθέμενο ότι ο εγκέφαλος ήταν υπερβολικά πολύπλοκος για να έχει έναν απλό κανόνα σχεδίασης. Εκπλήξαμε τον εαυτό μας όταν ανακαλύψαμε ότι υπήρχε ένας τέτοιος κανόνας".
Ο εγκέφαλος που επέλεξαν να εξετάσει ανήκε σε ένα πλανητικό πλατύ σκουλήκι μήκους ενός χιλιοστού που μπορεί να ξανακάνει μια νέα κεφαλή κάθε φορά μετά τον ακρωτηριασμό. Κατ 'αρχάς, ο Wang και η Margarita Hariton, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο εργαστήριό του, χρησιμοποιούσαν φθορίζοντες λεκέδες για να επισημάνουν διάφορους τύπους νευρώνων στο πλατύ σκουλήκι. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν μικροσκόπια υψηλής ανάλυσης για να καταγράψουν εικόνες ολόκληρου του εγκεφάλου - λαμπερούς νευρώνες και όλα - και ανέλυσαν τα πρότυπα για να δουν αν θα μπορούσαν να εξαγάγουν από αυτούς τους μαθηματικούς κανόνες που καθοδηγούν την κατασκευή τους.
Αυτό που διαπίστωσε ήταν ότι κάθε νευρώνας περιβάλλεται από περίπου δώδεκα γείτονες παρόμοιους με τον εαυτό του, αλλά ότι διαστρεβλωμένοι μεταξύ τους είναι άλλα είδη νευρώνων. Αυτή η μοναδική διάταξη σημαίνει ότι κανένας απλός νευρώνας δεν είναι τοποθετημένος ενάντια στο δίδυμο του, ενώ επιτρέπει στους διαφορετικούς τύπους συμπληρωματικών νευρώνων να είναι αρκετά κοντά ώστε να συνεργάζονται για να ολοκληρώσουν τα καθήκοντά τους.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτό το μοτίβο επαναλαμβάνεται ξανά και ξανά σε ολόκληρο τον εγκέφαλο των επίπεδων σκουληκιών για να σχηματίσει ένα συνεχές νευρωνικό δίκτυο. Οι συν-συγγραφείς της μελέτης Jian Qin, βοηθός καθηγητή χημείας και ο μεταδιδακτορικός λόγιος Xian Kong, ανέπτυξαν ένα υπολογιστικό μοντέλο για να δείξουν ότι αυτό το πολύπλοκο δίκτυο λειτουργικών γειτονιών προέρχεται από την τάση των νευρώνων να συσσωρεύονται όσο το δυνατόν πιο στενά χωρίς να είναι πολύ κοντά άλλους νευρώνες του ίδιου τύπου.
Ενώ οι νευροεπιστήμονες θα μπορούσαν κάποια μέρα να προσαρμόσουν αυτή τη μεθοδολογία για να μελετήσουν τη νευρωνική διαμόρφωση στον ανθρώπινο εγκέφαλο, οι ερευνητές του Stanford πιστεύουν ότι η τεχνική θα μπορούσε να εφαρμοστεί πιο χρήσιμα στο αναδυόμενο πεδίο της μηχανικής ιστών.
Η βασική ιδέα είναι απλή: οι μηχανικοί ιστών ελπίζουν να προκαλέσουν βλαστοκύτταρα, τα ισχυρά κύτταρα γενικής χρήσης από τα οποία προέρχονται όλοι οι κυτταρικοί τύποι, να αναπτυχθούν στα διάφορα εξειδικευμένα κύτταρα που σχηματίζουν ήπαρ, νεφρό ή καρδιά. Αλλά οι επιστήμονες θα πρέπει να οργανώσουν αυτά τα διαφορετικά κύτταρα στα σωστά μοτίβα, αν θέλουν την καρδιά να νικήσει.
"Το ζήτημα του πώς οι οργανισμοί μεγαλώνουν σε μορφές που εκτελούν χρήσιμες λειτουργίες έχει γοητεύσει τους επιστήμονες για αιώνες", δήλωσε ο Wang. "Στην τεχνολογική μας εποχή, δεν περιοριζόμαστε στην κατανόηση αυτών των προτύπων ανάπτυξης σε κυψελοειδές επίπεδο, αλλά μπορούμε επίσης να βρούμε τρόπους για την εφαρμογή αυτών των κανόνων για εφαρμογές βιο-μηχανικής.
Περισσότερες πληροφορίες: Margarita Khariton et al. Χρωματική νευρωνική εμπλοκή σε ένα πρωτόγονο εγκέφαλο, (2020). DOI: 10.1038 / s41567-020-0809-9
Σχόλια
Δημοσίευση σχολίου