Livet är fullt av mönster. Det är vanligt att levande saker skapar en upprepande serie liknande funktioner när de växer:tänk på fjädrar som varierar något i längd på en fågelvinge eller kortare och längre kronblad på en ros.

Det visar sig att hjärnan inte är annorlunda. Genom att använda avancerad mikroskopi och matematisk modellering, Stanford -forskare har upptäckt ett mönster som styr tillväxten av hjärnceller eller neuroner. Liknande regler kan styra utvecklingen av andra celler i kroppen, och förstå dem kan vara viktigt för framgångsrika bioingenjörer konstgjorda vävnader och organ.

Deras studie, publicerad i Naturfysik , bygger på det faktum att hjärnan innehåller många olika typer av neuroner och att det krävs flera typer som arbetar tillsammans för att utföra alla uppgifter. Forskarna ville avslöja de osynliga tillväxtmönstren som gör att de rätta typerna av neuroner kan ordna sig i rätt positioner för att bygga en hjärna.

"Hur ordnar celler med kompletterande funktioner sig för att konstruera en fungerande vävnad?" sade studieförfattaren Bo Wang, en biträdande professor i bioingenjör. "Vi valde att besvara den frågan genom att studera en hjärna eftersom det allmänt antogs att hjärnan var för komplex för att ha en enkel mönsterregel. Vi förvånade oss själva när vi upptäckte att det fanns, faktiskt, en sådan regel. "

Hjärnan de valde att undersöka tillhörde en planarian, en millimeter lång plattmask som kan växa upp ett nytt huvud varje gång efter amputation. Först, Wang och Margarita Khariton, en doktorand i sitt labb, använde fluorescerande fläckar för att markera olika typer av neuroner i plattmask. De använde sedan högupplösta mikroskop för att fånga bilder av hela hjärnan-glödande neuroner och allt-och analyserade mönstren för att se om de kunde dra ut dem matematiska regler som styr deras konstruktion.

Vad de fann var att varje neuron är omgiven av ungefär ett dussin grannar som liknar den själv, men som varvas mellan dem är andra typer av neuroner. Detta unika arrangemang innebär att ingen enda neuron sitter tätt mot sin tvilling, samtidigt som olika typer av komplementära neuroner kan vara tillräckligt nära för att arbeta tillsammans för att slutföra uppgifter.

Forskarna fann att detta mönster upprepas om och om över hela plattmaskhjärnan för att bilda ett kontinuerligt neuralt nätverk. Studera medförfattare Jian Qin, en biträdande professor i kemiteknik, och postdoktor Xian Kong utvecklade en beräkningsmodell för att visa att detta komplexa nätverk av funktionella stadsdelar härrör från neurons tendens att packa ihop så nära som möjligt utan att vara för nära andra neuroner av samma typ.

Medan neurovetenskapare någon gång kan anpassa denna metod för att studera neuronmönster i den mänskliga hjärnan, Stanford -forskarna tror att tekniken mer användbart kan tillämpas på det framväxande området vävnadsteknik.

Grundidén är enkel:vävnadsingenjörer hoppas kunna framkalla stamceller, de starka, generella celler från vilka alla celltyper härrör, att växa in i de olika specialiserade cellerna som bildar en lever, njure eller hjärta. Men forskare måste ordna de olika cellerna i rätt mönster om de vill att hjärtat ska slå.

"Frågan om hur organismer växer till former som utför användbara funktioner har fascinerat forskare i århundraden, "Sa Wang." Under vår tekniska era, Vi är inte begränsade till att förstå dessa tillväxtmönster på mobilnivå utan kan också hitta sätt att implementera dessa regler för bioteknikapplikationer. "