斯坦福大学的科学家们发现了支撑大脑生长的数学规则

生活充满了模式。生物在生长过程中会不断重复一系列类似的特征,这是很常见的:想想看,鸟类翅膀上的羽毛长度略有不同,或者玫瑰上的花瓣又短又长。

斯坦福大学的研究人员利用先进的显微镜和数学模型发现了控制扁形虫大脑神经元生长的模式,如图所示。利用这项技术,他们希望找到指导身体其他部位细胞生长的模式,为生物工程人造组织和器官铺平道路。(图片来源:Wang Lab提供)

事实证明,大脑也不例外。通过使用先进的显微镜和数学模型,斯坦福大学的研究人员发现了一种控制脑细胞或神经元生长的模式。类似的规则可以指导体内其他细胞的发育,了解它们对于成功地进行生物工程制造人造组织和器官具有重要意义。

他们的研究发表在《自然物理》(Nature Physics)杂志上,建立在这样一个事实之上:大脑包含许多不同类型的神经元,执行任何任务都需要几种不同类型的神经元协同工作。研究人员想要揭示一些看不见的生长模式,这些生长模式能让合适的神经元排列成合适的位置来构建大脑。

具有互补功能的细胞是如何安排自己来构建一个功能组织的?该研究的合著者、生物工程副教授王波(音译)说。“我们选择通过研究大脑来回答这个问题,因为人们普遍认为大脑太复杂了,没有一个简单的模式规则。当我们发现事实上有这样一条规则时,我们自己都大吃一惊。”

他们选择检查的大脑属于一种涡虫,一种几毫米长的扁虫,截肢后每次都能重新长出一个新脑袋。首先,王和他实验室的研究生玛格丽塔·哈里顿(Margarita Khariton)使用荧光染料标记了扁形虫中不同类型的神经元。然后,他们用高分辨率显微镜捕捉整个大脑的图像——发光的神经元等等——并分析这些模式,看看能否从中提取出指导其构建的数学规则。

他们发现,每个神经元周围大约有十几个与自己相似的邻居,但这些邻居中间还散布着其他种类的神经元。这种独特的排列方式意味着没有单个神经元与它的孪生神经元齐平,同时仍然允许不同类型的互补神经元紧密合作完成任务。

研究人员发现,这种模式在整个扁虫大脑中不断重复,形成一个连续的神经网络。研究合著者秦健,化学工程助理教授,博士后学者西安香港建立了一个计算模型表明,这种复杂的网络功能社区源自神经元一起包装的趋势尽可能不太接近其他相同类型的神经元。

虽然神经科学家有一天可能会采用这种方法来研究人类大脑中的神经元模式,但斯坦福大学的研究人员认为,这项技术可能会更有效地应用于新兴的组织工程领域。

基本的想法很简单:组织工程师希望诱导干细胞,一种功能强大的通用细胞,所有类型的细胞都来自于它,长成各种特殊的细胞,形成肝脏、肾脏或心脏。但是,如果科学家们想让心脏跳动,他们需要将这些不同的细胞排列成正确的模式。

王说:“几个世纪以来,生物体是如何发育成具有有用功能的形态的,这个问题一直让科学家们着迷。”“在我们的技术时代,我们不仅限于在细胞水平上理解这些生长模式,而且还可以找到方法为生物工程应用实现这些规则。”

这项工作得到了Burroughs Wellcome基金的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2020/03/11/hidden-pattern-drives-brain-growth/

https://petbyus.com/25058/