Forskare från ETH Zürich har utvecklat en modell som förklarar hur nervceller i hjärnan ansluter under utveckling. Deras modell avslöjar att den avgörande faktorn är progressiv celldelning. Denna process leder naturligt till bildandet av molekylära adresser som låter neuroner navigera.

Den mänskliga hjärnan är det i särklass mest komplexa organ som naturen någonsin har producerat:100 miljarder nervceller, var och en ansluten till andra celler via flera kontaktpunkter, säkerställer att vår kompetens inkluderar kapaciteten för enastående hjärnkraft. Men hur detta exceptionella organ lyckas bildas från det som börjar som ett ostrukturerat kluster av embryonala celler är fortfarande oklart.

Ingen bestämd plan

Under de senaste åren har enorma summor av forskningsfinansiering satsats på att exakt kartlägga strukturen hos den fullformade hjärnan. Det vetenskapliga samfundet hoppas att en omfattande kartläggning av neuroner och deras kopplingar – gemensamt känd som connectome – kommer att ge en bättre förståelse för hur hjärnan fungerar.

Den kompletterande grundläggande frågan om hur hjärnan bildas från begränsad genetisk information förblir dock obesvarad. För att beskriva kopplingen måste generna innehålla en miljard gånger mer information än vad de faktiskt gör. Så hur kommer det sig att människor och djur föds med en komplex, till stor del förstrukturerad hjärna som gör det möjligt för dem att göra snabba inlärningsframsteg nästan så snart de föds?

Instruktioner för anslutning

Svaret på detta pussel är förvånansvärt enkelt, säger Stan Kerstjens, doktorand vid Institutet för neuroinformatik vid ETH Zürich och universitetet i Zürich, och hans två rådgivare Richard Hahnloser, professor i systemneurovetenskap, och Rodney Douglas, professor emeritus i neuroinformatik .

"Det är uppenbart att instruktionerna för att koppla ihop hjärnan måste vara genetiskt kodade - annars skulle inte alla människors hjärnor utveckla en liknande struktur", säger Kerstjens. "Det är dock inte den detaljerade kopplingen som kodas, utan snarare en enda kompakt sökmetod. Denna metod kan sedan användas av axonerna, de långa fibrerna som upprättar kontakt med andra celler. Nätverket byggs sedan upp genom att axoner söker efter celler som är genetiska släktingar till sin egen neuron."

Spatial och genetisk struktur

Denna nya mekanism beskrivs i en artikel som nyligen publicerades i tidskriften PLOS Computational Biology . Forskarna har utvecklat en modell som gör att de kan simulera utvecklingen av en muss hjärna i embryonala och vuxna stadier. I mänskliga termer motsvarar detta mognadsstadiet för ett sexårigt barn.

"I huvudsak är det en tillväxtmodell för vävnad", förklarar Kerstjens. Modellen börjar med en enda cell. När nya neuroner dyker upp leder varje celldelning till strukturerade förändringar i genuttryck. Denna mekanism säkerställer att varje dottercell har ett liknande, men inte identiskt, genuttryck som sin förälder och att celler med liknande genuttryck grupperas nära varandra. Den utvecklingsmässiga organisationen av cellerna gör att de markeras som punkter på en karta, som hjärnans biologi kan använda för axonnavigering.

Systematisk sekvens av celler

Under embryonal utveckling etablerar denna process en hierarki av genetiska markörer i olika regioner av hjärnan, som var och en kännetecknas av det genetiska mönstret hos dess delade förfäder. Att navigera i det utrymme som beskrivs av denna kartliknande hierarki innebär att man följer en systematisk sekvens av genetiska profiler som har utvecklats med varje ny generation av celler.

Här analyserade forskarna genuttrycksdata på hjärnan hos möss som publicerades av Allen Institute for Brain Science i Seattle. "Vi jämförde labbdata med våra simuleringar och såg att de till stor del stämde överens. Så vi ser att uttrycket av generna faktiskt delar upp hjärnan i distinkta men ändå relaterade regioner", förklarar Kerstjens.

Söker efter relaterade celler

I modellens andra steg kopplar cellerna samman med andra celler. "Här ger vi dem bara grundläggande instruktioner om vilka molekylära signaler axonerna ska använda för att vägleda dem på vägen", fortsätter Kerstjens. "I huvudsak sa vi till var och en att spåra de genetiska mönstren som avgjorde deras egen individuella utveckling. Det var sedan upp till axonerna själva att följa de molekylära anvisningarna till deras relationers adresser."

Forskarna har kunnat visa att denna relativt enkla mekanism kan leda axoner till vissa celler över stora avstånd, och producera en connectom mycket lik den hos en riktig mushjärna. "De flesta av cellerna ansluter till andra som är belägna i närheten, medan ett fåtal tar sig hela vägen till mycket avlägsna regioner. Detta ger upphov till distinkta områden i hjärnan, som var och en innehåller täta nätverk samtidigt som de är anslutna till andra områden. , säger forskarna.

Ändå förklarar denna enkla modell inte helt kartläggningen av en riktig mänsklig hjärna. "Men det var inte målet med vårt arbete", säger Kerstjens. "Vi vill förstå principen om hur ett organ som är kapabelt att lära skapas. Och det arbete vi har gjort hittills visar oss vilken riktning framtida forskning kan ta." + Utforska vidare

Avlägset belägna områden i den mänskliga hjärnan kopplas samman med förvånansvärt få anslutningar