Синапсы мозга: Ученые рассмотрели миллионы связей между клетками мозга у мышей

Содержание

Ученые рассмотрели миллионы связей между клетками мозга у мышей

Чтобы понять, как происходит обучение и формируется память, ученые из Университета Джона Хопкинса (США) создали систему, позволяющую одновременно отслеживать миллионы связей между нейронами в мозге мышей, сообщает пресс-служба вуза. Результаты работы опубликованы в журнале eLife.

Пространство между клетками мозга невероятно крошечное. Оно меньше микрона – примерно десятая часть ширины человеческого волоса. Внутри этих соединений между нейронами проходит магистраль, по которой молекулы и белки – в основном натрий и кальций – передаются от одного нейрона к другому.

Когда нейротрансмиттеры проходят через синапс и «приземляются» на нейрон, они активируют AMPA-рецепторы глутамата – белка на поверхности нейрона. Эти рецепторы помогают нервным клеткам «общаться» друг с другом. 

Чтобы изучить, как работают синапсы, ученые обычно культивируют образцы нейроны в лаборатории. Там они исследуют подмножества клеток из различных отделов мозга. Но увидеть синапсы всего мозга в таким условиях не удавалось. 

В данной работе ученые отредактировали геном мышей, вставив ген GRIA1 в их ДНК. Тем самым они создали зеленую светящуюся метку на всех AMPA-рецепторах. Когда нейроны усиливают свои сигналы, они производят больше белков AMPA – и зеленый сигнал становится ярче. Поскольку AMPA-рецепторы очень распространены, исследователи смогли точно определить в мозге мыши почти все возбуждающие нейроны, которые с большей вероятностью будут посылать сигналы другим нейронам, а не блокировать их.

Затем исследователи подергивали усы у каждой мыши (а усы, или вбириссы, – очень чувствительный орган, к которому подходит множество нервных окончаний) и использовали микроскопы высокой мощности, чтобы отследить, какие синапсы засветятся зеленым в ответ на действия, и оценить яркость сигнала. Они обнаружили около 600 000 светящихся синапсов и свидетельства того, что яркость зеленого сигнала соответствует силе реакции AMPA-рецептора.

[Фото: AUSTIN GRAVES, JOHNS HOPKINS MEDICINE]

Сохраняем мозг со всеми синапсами / Хабр

Вчера мне довелось пообщаться с Monir Mazaheri — научным сотрудником отделения нейробиологии в Karolinska Institutet, Швеция. Она рассказала о последних открытиях в исследованиях деградации мозга и болезни Альцгеймера. Оказалось, есть очень простые способы развить свой интеллект, если вы молоды, и сберечь его, если вам ближе к 60. Суть в том, что не обязательно много заниматься чисто интеллектуальной работой, важнее задействовать все зоны мозга.


Сначала немного теории:


  • мозг представляет собой систему нервных клеток (нейронов). Нервные клетки связаны между собой синапсами. Синапсы отличаются большой пластичностью, то есть синаптические связи могут образовываться, усиливаться или ослабевать и разрушаться. Обучение связано с образованием долговременных синаптических связей между нейронами.
  • Мозг отличается специализированностью. То есть за разные действия отвечают разные зоны. Когда мы говорим, активизируется одна зона (речевая), когда представляем образы — другая, когда учимся танцевать — третья и т.д.
  • В тех зонах, которые мы не используем, синаптические связи ослабевают. В результате мы забываем то, что когда-то знали и умели. Хуже того, если мы ежедневно делаем одно и то же, решая однообразные задачи, целые отделы мозга у нас оказываются не задействованы и их функциональность ослабевает. В молодости это приводит к тому, что чересчур узкому специалисту задачи из других областей вдруг оказываются слишком сложными. Например, трудно разгадать простую загадку или срисовать кошку с картинки. А в старости это приводит к деменции (старческому слабоумию), потому что восстановить утраченные синаптические связи — научиться новому — уже почти невозможно.

Хорошие новости: поддерживать интеллект на высоте совсем не трудно. Нужно всего лишь задействовать как можно больше разных зон мозга, чтобы связи в них не ослабевали. Что конкретно делать:

  1. Больше общайтесь. Социальные контакты задействуют множество разных зон: ведь нужно помнить, как зовут человека, представлять, как он выглядит, чем он занимается, чем интересуется, о чём вы говорили в прошлый раз. Причём не важно, общаетесь вы лично или по Интернету. К слову, старики, поддерживающие много социальных контактов, крайне редко страдают деменцией.
  2. Если вы всё делаете правой рукой, начните что-то делать левой. Это активизирует противоположное полушарие мозга.
  3. Кроссворды, судоку и прочие интеллектуальные штуки заставляют напрягать мозг, копаться в памяти и восстанавливать почти утраченные синаптические связи.
  4. Хорошо, если ваше хобби радикально отличается от работы. Да, «на работе программирую под Windows, а дома — под Linux» — это не радикальное отличие. Это прямой путь к утрате функционалаьности большой части вашего мозга, и даже ослаблению способностей в области специализации. По-настоящему сложные задачи требуют нетривиального подхода, воображения, визуализации, использования методов из других областей, эвристики и т.п.
  5. Пробуйте новое, учитесь новому. Я на своём опыте убедилась, что обучение новым навыкам может давать неожиданные бонусы в совсем других областях. Научившись слепой печати, я из «девушки-дырявые-руки» вдруг стала «девушкой-подхватываю-всё-не-глядя». Теперь если что-то падает где-то на периферии моего поля зрения, и я могу дотянуться, в 9 из 10 случаев я это поймаю.
  6. Не обязательно, чтобы всё это было сложно, пусть лучше будет интересно и занимательно.

Нейробиологи впервые исследовали электрические синапсы, «темную материю» мозга

Нервные клетки общаются через синапсы: небольшие контактные точки, в которых сигнал переходит от одной клетки к другой. Классический подход говорит о том, что сигнал между нейронами передается с использованием биологически активных химических веществ, нейромедиаторов. Но это только часть картины.

Как отмечают исследователи, в мозге почти всех видов животных, кроме иглокожих, есть второй тип синапсов: электрические. Такой синапс соединяет две нервные клетки напрямую, поэтому электрические сигнал может передаваться от одной клетки к другой без помех. Широкое распространение таких соединений в природе, по словам ученых, показывает, что электрические синапсы должны выполнять важные функции.

«Электрические синапсы встречаются гораздо реже, их трудно обнаружить обычными методами. Вот почему до сих пор их так мало исследовали, — говорит Георг Аммер, нейробиолог и соавтор исследования. — В большинстве случаев мы не знаем даже основных вещей, например, где именно возникают электрические синапсы или как они влияют на активность мозга».

Нейробиологи использовали иммуногистохимический анализ специфических белков, формирующих щелевые контакты между электрическими синапсами. На основе анализа, ученые составили карту. Оказалось, что в мозге плодовых мушек такие синапсы можно найти почти во всех отделах, однако не все нейроны имеют электрические связи.

Исследователи отключили работу электрических синапсов в области, ответственной за обработку зрительной информации. Результаты показали, что реакция нейронов на раздражители стала значительно слабее, а некоторые типы нейронов без электрических синапсов стали нестабильными и начали спонтанно колебаться.

«Результаты показывают, что электрические синапсы важны для различных функций мозга и могут выполнять очень разные задачи в зависимости от типа нервной клетки», — говорит Аммер.

Исследователи отмечают, что в настоящее время при построении коннектомов (полного описания структурных связей нервной системы) используют только данные электронного микроскопа, который не видит электрические синапсы. Нейробиологи считают, что такой подход значительно ограничивает наше понимание того, как работает мозг.

По словам авторов работы, дальнейшие исследования должны показать, как можно интегрировать все синапсы в единую схему и какие еще секреты могут скрывать электрические синапсы.


Читать далее:

Внутри Земли есть еще «планета»: как она спасла зарождающуюся жизнь

Новое исследование опровергает теорию о передаче световой энергии

Все, что вы знали о тираннозавре — неправда: как наука меняет его голливудский образ

Ученые открыли новый механизм регуляции синапсов головного мозга

Как работает мозг человека, как формируется память и что такое разум, остается, наверное, одной из самых больших загадок в современной науке. В настоящее время над этой загадкой бьется множество ученых – биологов, нейрофизиологов, кибернетиков, математиков.

Больших успехов в понимании процессов работы мозга уже удалось добиться: те исследования и задачи, которые ставили перед собой ученые, еще несколько лет назад казались научной фантастикой, а сейчас становятся настоящей реальностью.

Об одном из исследований по изучению мозга в рамках масштабного проекта Brain Research Program на Всемирном научном форуме рассказал известный ученый, руководитель проекта и директор Института экспериментальной медицины (Венгрия, Будапешт) профессор Тамаш Фред (Tamas Freund).

Brain Research Program – это крупный проект, который в 2012 году инициировала Венгерская академия наук. Финансирование на четыре года составило 40 миллионов евро. Проект стал самым дорогостоящим за всю историю финансирования научных исследований в Венгрии.

В настоящее время интерес к изучению мозга в европейских странах и в США явно растет. Например, в 2013 году Евросоюз объявил о запуске программы по изучению мозга человека (Human Brain Project), бюджет которой составил 1,2 миллиарда евро на десять лет. В США в 2013 году была запущена аналогичная программа с бюджетом 3 миллиарда евро на 10 лет.

В проекте Венгерской академии наук принимают участие пять университетов, несколько исследовательских институтов, крупная фармацевтическая компания и множество лабораторий по всей стране. Консорциум работает в пяти направлениях – это научные разработки, клиническая нейрофизиология, фармакологические исследования, биоинформатика, эпидемиология.

Одним из самых значимых достижений венгерского проекта стало открытие нового механизма регуляции работы синапсов. Открытие стало значимым не только для фундаментальной науки, но и для клинической практики. На основе этих знаний был создан новый препарат для лечения эпилепсии, который действует таргенто на определенные мишени, не затрагивая здоровые клетки и органы, поэтому вызывает меньше побочных эффектов.

Появлению нового препарата предшествовали серьезные научные исследования механизмов передачи нервных импульсов в коре головного мозга.

Путешествие по нейронной сети

В коре головного мозга находится примерно 100 миллиардов нейронов, и каждый из них образует связи еще с 50-100 тысячами других нейронов. Более того, у каждого нейрона есть выросты – дендриты, которые получают сигнал от порядка 20 тысяч своих соседей. Кроме дендритов нейроны имеют и другие «хвосты» — аксоны, которые пропускают через себя импульсы, поступающие к ним от более 40 тысяч нейронов.

Даже такого короткого описания достаточно, чтобы понять, насколько сложно устроена нейронная сеть.

Ключевым процессом в ее работе является взаимодействие одного нейрона с другим или процесс формирования синапсов.

Синапсы – это контакты между нейронами, через которые химическим путем передается нервный импульс.

Сейчас уже известно, что в синапсах «локализуется» память человека и определяется их проводимостью. Современные исследования показывают также, что новые синапсы формируются в процессе обучения. А вот нарушения работы синапсов — опасны и могут приводить к различным заболеваниям, например, эпилепсии.

Как же формируются синапсы?

Представим себе нейрон. Когда импульс приходит в его пресинаптическую часть, там появляется скопление везикул – пузырьков с нейромедиаторами. Эти везикулы «выплевывают» содержащиеся в них нейромедиаторы в синаптическую щель – пространство между нейронами. Нейромедиаторы «садятся» на соответствующие рецепторы постсинаптической мембраны. Активация рецепторов вызывает изменение трансмембранных ионных токов, и, в зависимости от медиатора и рецептора, окрестный участок мембраны либо деполяризуется (тогда мы имеем дело с возбудительным постсинаптическим потенциалом), либо гиперполяризуется (тогда перед нами тормозной постсинаптический потенциал).

При возникновении синапса в образующих его участках нейронов происходит множество изменений. Но молекулярные и биохимические механизмы этих изменений долгое время оставались загадкой.

Если система слишком возбуждена

Команда Томаша Фреда исследовала как раз эти механизмы. Ученые изучали, как регулирует формирование синапсов нейромедиатор глутамат.

Этот вопрос является очень важным, поскольку известно, что правильный баланс между глутаматными (возбудительными) и ГАМК-овыми (тормозными) синапсами — одно из необходимых условий для правильной работы мозга. Нарушение этого баланса может стать причиной большого количества заболеваний, в том числе и эпилепсии.

Оказалось, что здесь важную роль играют эндоканабиоиды. Удивительно, что эти вещества из группы терпенфенольных соединений, аналогичные тем, которые встречаются в природе в растениях семейства коноплевых (Сannabaceae), но вырабатываются человеческим организмом. Самые известные eCB — анандамид (АЕА) и 2‑арахноидоноилглицерол (2‑Arachidonoylglycerol или 2-AG). Они избирательно связываются с канабиноидными рецепторами и вызывают тот же психотропный эффект, что и марихуана.

«Наше исследование показало, что эндоканабиоиды могут заглушать избыточное выделение нейромедиатора глутамата», — говорит Тамаш Фред.

Чтобы научиться управлять этим процессом, перед учеными встал вопрос – где эти эндоканабиоиды синтезируются, и где находятся их рецепторы.

«Наше исследование показало, что эндоканабиоиды локализуются в пресинаптическом узле. А к их синтезу приводит активация целого каскада реакций. Причем, в пресинаптическом узле работает, как нам удалось выяснить, особый механизм. Как раз он регулирует активность высвобождения глутамата», — добавляет Тамаш Фред.

Эти важные результаты были опубликованы в журнале Nature.

Путь от науки к клинической практике

Как показали дальнейшие исследования, у больных с эпилепсией уровень активности рецепторов эндоканабиоидов снижен, соответственно и количество самих эндоканабиоидов у них меньше, чем в норме. Поэтому у таких больных плохо контролируется высвобождение глутамата при формировании синапсов — его образуется больше, чем нужно.

Следовательно, совершенно логично следующее предположение ученых: справиться с эпилепсией можно, наладив у пациентов работу рецепторов эндоканабиоидов. То есть эти рецепторы и должны стать теми мишенями, на которые необходимо направить действие лекарства.

Вскоре вещество, которое действует на рецепторы эндоканабиоидов, было найдено. И как показали клинические испытания, оно действовало эффективно. Препарат на основе этого вещества успешно прошел клинические испытания и сейчас уже применяется в клинической практике.

синапс — это… Что такое синапс?

СИ́НАПС -а; м. [греч. synapsis — соединение, связь] Физиол. Область соприкосновения нервных клеток друг с другом или тканями, содержащими нервные клетки.

Синапси́ческий; синапти́ческий, -ая, -ое. С-ая зона.

(от греч. sýnapsis — соединение), область контакта (связи) нервных клеток (нейронов) друг с другом и с клетками исполнительных органов. Межнейронные синапсы образуются обычно разветвлениями аксона одной нервной клетки и телом, дендритами или аксоном другой. Между клетками имеется так называемая синаптическая щель, через которую возбуждение передаётся посредством медиаторов (химический синапс), ионов (электрический синапс) или тем и другим способом (смешанный синапс). Крупные нейроны головного мозга имеют по 4—20 тысяч синапсов, некоторые нейроны — только по одному.

СИ́НАПС (греч. synapsis — соединение, связь), зона контакта между нейронами и другими образованиями (нервными, мышечными или железистыми клетками), служащая для передачи информации от клетки, генерирующей нервный импульс к другим клеткам. Термин ввел Ч. Шеррингтон (см. ШЕРРИНГТОН Чарлз Скотт) в 1897.
Синапс состоит из трех отделов: пресинаптического (нейрон (см. НЕЙРОН), посылающий сигналы), постсинаптического (клетка, принимающая сигналы) и соединяющей их структуры (синаптическая щель). В тех случаях, когда речь идет о контактах между нервными клетками, синапсы могут образовываться между аксонами (см. АКСОН)и сомой, аксонами и дендритами (см. ДЕНДРИТ), аксонами и аксонами, дендритами и дендритами, а также между сомой и дендритами нейронов. В зависимости от способа передачи возбуждения выделяют химические (наиболее распространенные) и электрические синапсы. Существуют также смешанные синапсы, сочетающие оба механизма передачи.
Электрические синапсы распространены у беспозвоночных и низших позвоночных, но иногда встречаются и в некоторых участках мозга млекопитающих. Они образуются чаще всего между дендритами близко расположенных нейронов и осуществляют быструю (без синаптической задержки) передачу сигналов, благодаря наличию высокопроводящего контакта, обусловленного наличием узкой синаптической щели и специальных ультраструктур, снижающих электрическое сопротивление в области контакта.
Химические синапсы преобладают в мозгу млекопитающих. На соме и дендритах каждого нейрона может локализоваться до нескольких десятков тысяч синаптических окончаний. В их пресинаптических окончаниях содержатся синаптические пузырьки (везикулы), содержащие химический посредник, называемый медиатором (нейромедиатор, нейротрансмиттер) и имеющие различные размеры и электронную плотность. Так, обнаружены малые прозрачные пузырьки, заполненные низкомолекулярными, так называемыми, «классическими» медиаторами (ацетилхолин, ГАМК, глицин и др.) и крупные электронно-плотные, содержащие пептидные медиаторы. Медиаторы образуются в соме нейрона и затем по аксону транспортируются в синаптическое окончание. Согласно сформулированному в 1930-х годах закону Дейла, медиатор, обнаруженный в одном синапсе, должен быть также медиатором во всех других синаптических окончаниях того же нейрона. Позже выяснилось, что в одном нейроне может синтезироваться и в одном окончании освобождаться более одного медиатора, однако набор медиаторов для данного нейрона всегда постоянен.
Приходящий электрический импульс при участии ионов кальция вызывает освобождение медиатора из пресинаптических окончаний. Медиатор диффундирует через синаптическую щель шириной 10 — 50 нм и взаимодействует с рецепторными белками постсинаптической мембраны, что приводит к возникновению постсинаптического потенциала. Время, в течение которого происходят эти реакции, называется синаптической задержкой и составляет 0,3 — 1 мс. Не связавшийся с рецептором медиатор либо разрушается специальными ферментами, либо захватывается обратно в пузырьки пресинаптического окончания.
Рецепторы постсинаптической мембраны подразделяются на два основных класса, которые различаются механизмами действия и скоростью проведения сигналов. Существуют быстродействующие (ионотропные) рецепторы, скорость действия которых измеряется миллисекундами и медленнодействующие (метаботропные), где происходящие процессы измеряются секундами и даже минутами. Результатом взаимодействия медиатора с первым типом рецепторов является открытие мембранных каналов для ионов натрия, калия, кальция или хлора. В зависимости от природы поступающего в постсинаптическую клетку иона возникает либо деполяризация, либо гиперполяризация мембраны вблизи синапса. Так, например, поступление в постсинаптическую клетку положительно заряженных ионов натрия вызывает ее деполяризацию, выражающуюся в возникновении местного возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП). С другой стороны, анионы хлора вызывают гиперполяризацию постсинаптической клетки, т. е. тормозной постсинаптический потенциал (ТПСП). Ввиду того, что на каждом нейроне оканчивается множество синаптических окончаний, происходит суммация всех постсинаптических потенциалов обоих типов, что определяет вероятность возникновения импульса в постсинаптическом нейроне. При этом статистический вес каждого из синапсов оказывается различным: наибольший вклад вносят те из них, которые находятся на соме нейрона, наименьший — расположенные на окончаниях тонких дендритов.
Медленнодействующие рецепторы являются комплексом из нескольких белков, которые после взаимодействия с медиатором последовательно меняют свою конформацию. В результате этого происходит активация выхода вторичных (внутриклеточных) медиаторов, которыми могут быть ионы кальция, циклические нуклеотиды, диацилглицерол и др. В состав метаботропных рецепторов входят, по крайней мере, три белка: (1) собственно рецепторный белок (R-белок), связывающийся с медиатором, (2) так называемый G-белок, передающий сигнал с рецепторного белка и (3) белок-эффектор, который является ферментом, катализирующим образование вторичного медиатора. На стадии взаимодействия R-белка с G-белком происходит усиление приходящего сигнала, т. к. активированная с медиатором молекула R-белка способна контактировать с сотнями молекул G-белка. При взаимодействии R-белка с G-белком происходит временная активация последнего, в результате чего происходит активация фермента, образующего вторичные медиаторы. Результатом действия этих внутриклеточных медиаторов может быть как открытие ионных каналов (причем, более широко распространенное и продолжительное, чем при действии ионотропных рецепторов), так и многие другие внутриклеточные процессы вплоть до экспрессии генов в ядре клетки.
Характерным для синапсов является их особенность изменять чувствительность к действию медиаторов в процессе своей активности. Это свойство называется синаптической пластичностью и составляет основу таких процессов, как память и обучение. Различают кратковременную синаптическую пластичность, продолжающуюся не более 20 мин, и долговременную, длящуюся от нескольких десятков минут до нескольких недель. Пластичность может проявляться как в форме потенциации (активации), так и в форме депрессии. В ее основе лежат различные механизмы от изменения концентрации ионов кальция в синаптической области до фосфорилирования или разрушения синаптических белков, а также экспрессии или репрессии генов, катализирующих синтез таких белков. В зависимости от степени пластичности синапсы разделяют на стабильные и динамические, причем первые формируются в онтогенезе раньше, чем последние.

Во время сна количество синапсов в мозге уменьшается

Нейробиологи предполагают, что во время бодрствования постоянно приобретаемый новый опыт ведет к неуклонному росту синаптической проводимости в мозге, что рано или поздно делает работу мозга неэффективной. Возможно, сон необходим для возвращения мозга в рабочее состояние путем «синаптической ренормализации» — снижения синаптической проводимости до оптимального уровня. Эксперименты на дрозофилах подтвердили эту гипотезу: оказалось, что размер и количество синапсов в мозге действительно снижаются во сне и растут во время бодрствования. При этом чем насыщеннее дневной опыт, тем больше образуется новых синапсов и тем выше потребность в сне.

Несмотря на активное изучение феномена сна, его функции остаются во многом загадочными (см.: Елена Наймарк. Наука во власти сна). Недавно была предложена простая и правдоподобная гипотеза, согласно которой сон необходим для поддержания так называемого «синаптического гомеостаза» (Tononi, Cirelli, 2006, PDF, 300 Кб). Суть идеи в том, что во время бодрствования мозгу приходится постоянно учиться, усваивать новый опыт, активно подстраиваться к меняющейся обстановке.

Всё это осуществляется за счет синаптической пластичности, то есть путем изменения числа и размера синапсов, посредством которых нейроны обмениваются сигналами. Если нейрон А раз за разом передает сигнал нейрону Б, то синаптическая проводимость между ними со временем усиливается, то есть происходит рост эффективности передачи сигнала (растет вероятность того, что поступивший от А сигнал приведет к возбуждению нейрона Б). На этом принципе основаны память и обучение (см.: Нейроны соревнуются за право участия в формировании рефлексов, «Элементы», 26.04.2007).

Можно поэтому предположить, что во время бодрствования суммарная синаптическая проводимость в мозге (которую можно косвенно оценить по числу и размеру синапсов) неуклонно растет. В конце концов это может стать непереносимым, потому что многочисленные разбухшие синапсы потребляют много энергии и требуют для своего формирования большого количества биохимических «стройматериалов». К тому же возможности для их дальнейшего усиления исчерпываются, что ведет к снижению адаптивного потенциала мозга. Возможно, важная функция сна состоит в снижении синаптической проводимости до оптимального уровня, что возвращает мозг в работоспособное состояние.

Конечно, какие-то из новых синапсов, приобретенных во время бодрствования, сохраняются надолго: в этом состоит суть закрепления (консолидации) долговременной памяти. В этом процессе сон тоже играет ключевую роль (см.: Во время фазы медленного сна активно закрепляются новые знания, «Элементы», 21.03.2007; Мозг во сне «проигрывает» дневные события с семикратным ускорением, «Элементы», 19.11.2007). Это, однако, не противоречит предположению о том, что среди приобретенных за время бодрствования новых синапсов есть много лишних, не подлежащих длительному хранению, и их необходимо своевременно удалять, чтобы мозг, образно говоря, «не расплавился».

Гипотеза синаптического гомеостаза косвенно подтверждается многими фактами. Например, на грызунах было показано, что молекулярные и электрофизиологические маркёры синаптической проводимости демонстрируют рост после бодрствования и снижение после сна. У личинок рыб Danio rerio после сна происходят структурные изменения в синапсах, свидетельствующие о снижении проводимости. В мозге мух после сна снижается содержание синаптических белков.

В последнем номере журнала Science авторы гипотезы синаптического гомеостаза — нейробиологи из Висконсинского университета в Мэдисоне — сообщили о результатах экспериментов на дрозофилах, в ходе которых эта гипотеза получила более прямые подтверждения.

Авторы использовали несколько линий генетически модифицированных дрозофил, у которых в тех или иных группах нейронов производятся флуоресцентные белки. Это дает возможность подсчитать под микроскопом количество дендритов и их отростков (аналогичных дендритным шипикам млекопитающих, см.: Формирование воспоминаний теперь можно увидеть под микроскопом, «Элементы», 01.12.2009), измерить толщину окончаний аксонов у определенных групп нейронов и оценить количество синапсов. Кроме того, авторы измеряли уровень экспрессии некоторых белков, которые вырабатываются в синапсах. Анализировались три группы нейронов: 1) малые вентральные латеральные нейроны (small ventral lateral neurons), участвующие в регуляции суточного ритма; 2) гамма-нейроны грибовидных тел; 3) гигантский нейрон VS1, входящий в состав одного из зрительных центров мушиного мозга.

Авторы сравнивали состояние нейронов у мух в трех ситуациях: 1) после нормального дневного (семичасового) бодрствования, 2) после семичасового сна (муху считали спящей, если она не шевелилась в течение 5 минут — правомочность такого способа регистрации сна у мух подтверждена предыдущими исследованиями), 3) после ночи, в течение которой мухе не давали спокойно поспать (пробирка начинала вибрировать, как только муха засыпала).

Результаты подтвердили ожидания исследователей. Выяснилось, что после дневного бодрствования и особенно после бессонной ночи количество синапсов и отростков у нейронов увеличивается, а после сна — снижается.

Эти эксперименты проводились с мухами, сидевшими поодиночке в маленьких пробирках. Понятно, что в такой обстановке их дневной опыт был небогат. Если гипотеза синаптического гомеостаза верна, то следует ожидать, что у мух, которые провели день в более насыщенной и разнообразной среде, дневной рост числа отростков и синапсов должен быть выражен сильнее. Кроме того, после дня, богатого впечатлениями, должна возрастать потребность в сне. Чтобы это проверить, авторы помещали по 100 мух в одну большую емкость, где насекомые могли свободно летать и общаться друг с другом, как им заблагорассудится.

Оказалось, что после дня, проведенного в такой «социально насыщенной» обстановке, у мух действительно появляется больше новых синапсов, чем после дня в пробирке-одиночке. В полном соответствии с теоретическими ожиданиями потребность в сне у мух после этого тоже увеличилась. Тем самым авторы подтвердили полученные ранее результаты, о которых рассказано в заметке Мухи устают от общения («Элементы», 02.10.2006). Нескольких лишних часов сна оказывается достаточно, чтобы уменьшить синаптическую проводимость до исходного «базового» уровня.

Таким образом, на дрозофилах гипотезу синаптического гомеостаза удалось довольно убедительно подтвердить. Следующим шагом, очевидно, должна стать ее проверка на млекопитающих.

Источник: Daniel Bushey, Giulio Tononi, Chiara Cirelli. Sleep and Synaptic Homeostasis: Structural Evidence in Drosophila // Science. 2011. V. 332. P. 1576–1581.

См. также:
1) Мухи устают от общения, «Элементы», 02.10.2006.
2) Формирование воспоминаний теперь можно увидеть под микроскопом, «Элементы», 01.12.2009.
3) Елена Наймарк. Наука во власти сна // Что нового в науке и технике. 2005. №7–8.

Нейронная трансформация пломбира

Наш мозг способен на многие вещи, и некоторые из них совсем уж странные: например, он может связать в нашем восприятии пломбир с углём, а восьмерку с известью или лишить нас возможности что-либо забывать. Звучит едва ли не магически, но никакой магии тут нет — только действие нейронов, синапсов, аксонов и дендритов. Писатель и программист Владимир Губайловский в книге «Искусственный интеллект и мозг человека», вошедшей в лонг-лист премии «Просветитель», подробно описал, как все это работает и к чему приводит.

Владимир Губайловский. Искусственный интеллект и мозг человека. М.: Наука, 2019. Содержание

Мозг как биокомпьютер

Производительность компьютеров IBM, используемых NASA при реализации проекта «Apollo», была примерно в сто тысяч раз меньше «оперативки» средненького современного смартфона. Темпы роста производительности техники в последние десятилетия беспрецедентны, но динамика этого разгона имеет свой предел.

«Достигнута максимальная не только на сегодняшний день, но и вообще возможная частота процессора того типа, который мы сегодня массово используем, — это 3–5 ГГц (<…> мы близко подошли к „тепловому барьеру” Ландауэра), практически достигнута предельная плотность размещения вентилей на кремниевой подложке) <…>. Мы перестали ускорять процессоры, делая упор на распараллеливание процессов (в частности, увеличивать количество ядер)», — отмечает Владимир Губайловский.

Несравнимо большими показателями отличается человеческий мозг, который в каком-то смысле можно назвать «биологическим аналоговым компьютером». Как у всякого компьютера, у мозга есть «порты ввода / вывода», через которые он получает данные из внешнего мира и выводит преобразованную информацию. «Порты ввода» — это органы чувств. Если человек потеряет их (например, из-за тяжелой травмы), он окажется замкнутым внутри самого себя и утратит большую часть возможностей коммуникации с внешним миром.

На сегодняшний день наиболее реалистичная модель мозга — искусственная импульсная нейронная сеть (Spiking Neural Network — SNT). В ней нейроны обмениваются короткими импульсными сигналами (1–2 мс), но это лишь малая толика многообразия их «взаимоотношений». Чтобы представить, насколько эта модель далека от более-менее обстоятельного и тем более полного «картографирования», представим, какие можно было бы сделать выводы о движении на оживленных улицах, основываясь только на свете автомобильных фар. Детали (такие, например, как особенности дорожного полотна) ускользают, но кое-что мы все-таки узнаем: «один район может быть финансовым центром, в другом <…> находится аэропорт. По выходным движение потоков наверняка изменится. В плохую погоду больше людей останутся дома <…> однако все равно будут использоваться постоянно существующие улицы и дороги».

Правила дорожного движения

Главные жители этого «большого города» — нейроны, клетки нервной системы размером от 3 до 130 микрон. У каждого нейрона есть тело с ядром, дендриты («входы», нервные окончания, по которым поступают сигналы из внешнего мира или от других нейронов) и аксоны («выходы»). Аксон обычно один (но может ветвиться на конце), а вот количество дендритных ветвей может достигать сотен тысяч.

Места контактов между нейронами называются синапсами — они бывают электрическими и химическими. Электрические обеспечивают прямой контакт — они нужны, например, когда необходима скорость реакции (обжег руку — отдернул). В химических синапсах задействован нейромедиатор: аксон одного нейрона выбрасывает вещество, которое принимает дендрит другого. Это входные данные.

«Нейрон анализирует данные и решает: формировать ему потенциал действия или погодить. Информация на входе весьма разнообразна — одни аксоны передают возбуждающие медиаторы, другие — „молчат”, третьи передают тормозящие медиаторы. Анализ, который проводит нейрон, зависит не только от входных данных, но от его собственной структуры — например, наличия некоторых важных белков».

То есть нейрон в рабочем состоянии — это такой заряженный конденсатор. На внешнем слое мембраны концентрируются положительные ионы (ионы натрия — Na+), на внутреннем — возникает отрицательный заряд.

Если нейрон решает действовать, открываются натриевые канальцы, ионы проникают внутрь и начинается деполяризация — заряды нейтрализуются.

Сигнал деполяризации бежит по аксону до конца и дает команду выбросить нейромедиатор в синапсическую щель — передать сигнал дендритам следующего нейрона. После этого нейрон некоторое время «заряжается» (помогают окружающие его глиальные клетки, которые кормят нейрон глюкозой и защищают — например, от микроорганизмов). После подпитки нейрон снова готов к действию. Таким образом нейроны образуют пути, по которым передаются химические сигналы.

Нейроны и синапсы — химический синапс. 1 — тело нейрона, 2 — дендриты, 3 — аксон, 4 — передаваемые нейроном электрические импульсы, 5 — молекулы нейротрансмиттеров, 6 — синаптическая щель, 7 — постсинаптический рецептор 

Анатомия памяти

Информация, поступающая в мозг по сенсорным каналам, сначала попадает в кратковременную рабочую память (КРП).

«Здесь мы не будем касаться вопроса, а существует ли такая память „физически” или есть только долговременная <…> и мозг просто выделяет из нее специфический фрагмент в виде КРП для своих операционных нужд (такая точка зрения вовсе небезосновательна). Мы будем исходить из того, что КРП — память, в которую информация попадает из входных каналов, и эта память характеризуется двумя параметрами — емкостью и временем хранения».

При этом емкость КРП очень мала (3–7 объектов), а время «хранения» — крайне ограничено (5–15 секунд). Оба параметра существенно зависят от концентрации внимания. Чем мы сосредоточеннее, тем КРП больше и тем дольше она удерживает объекты.

Человек — это не tabula rasa, как полагал Джон Локк. Когда мы рождаемся, наш мозг уже многое «знает». Структура мозга (его главные области и некоторые проводящие пути) уже сформированы. Структура будет меняться (усложняться или упрощаться), но основная топология остается неизменной. Главная перестройка происходит в синапсах. Нейроны меняют частоту импульсов, синапсы — пропускную способность. Так возникают новые, быстро проводящие сигнал нейронные контуры.

«Так и реализуется долговременная память. Она распределена по всему мозгу, но представляет собой не нули и единички — намагниченные домены на пластине жесткого диска или проколы на плоскости CD, — а долговременные структурные перестройки нейронной сети. Дендритные шипики, если обучение заканчивается, могут рассасываться — это забывание».

Память подразделяется на имплицитную (информация сохраняется в мозге без нашего активного участия, мы не можем ее вспомнить сознательным усилием) и эксплицитную. А последняя, в свою очередь, — на семантическую (что мы знаем) и эпизодическую (что мы помним).

Как отмечает Губайловский, именно эпизодическая память, формирующаяся в возрасте трех-четырех лет, и есть основа идентичности человека: если эпизодическая память разрушается при болезни Альцгеймера, человек уже не может ничего вспомнить, хотя еще многое знает.

Эпизодическая память активно взаимодействует с семантической памятью. То, что мы знаем, своеобразно коррелирует с тем, что мы можем вспомнить. Семантическая память первоначально формируется именно как эпизодическая: сначала мы помним не только, что мы узнали, но и когда и как мы это узнали — сохраняется весь комплекс восприятия, который сопровождал процесс узнавания.

Пока смерть не разлучит нас

Владимир Губайловский вспоминает миф о том, что каждые семь лет все клетки нашего тела обновляются. И развенчивает его: в нашем организме есть клетки, которые вместе с нами рождаются и умирают, — это клетки сердечной мышцы и нервной системы.

Они не делятся, как клетки кожи или внутренних органов. Если клетки сердца (например, после инфаркта) погибают, им нет замены. Аналогичная история с нейронами: после тяжелой травмы спинного мозга человек может остаться полностью или частично парализованным.

Количество нейронов коры головного мозга достигает максимума на 28–32 неделе пренатального периода, а к моменту рождения уменьшается на 70 %. Нейрогенез (рождение нейронов) и апоптоз (умирание) в последние недели беременности идет невероятно интенсивно. Погибшие нервные клетки уничтожаются макрофагами, попадающими в нервную систему из крови. Не менее интенсивно идет и процесс образования синапсов. К моменту рождения наиболее развиты синапсы сенсорно-моторной коры — количество соединений между ними быстро убывает до двух лет.

Потом развивается префронтальная кора, отвечающая, в частности, за социальные функции: на 3–6 лет приходится максимум синапсов (это что-то вроде чернового наброска, который потом «уточняется» и «переписывается»).

Полностью развившийся мозг содержит примерно 86,1±8,1 млрд нейронов, из которых 19 % — нейроны коры. Мозг постоянно перестраивается в зависимости от решаемых им задач: невостребованные нейроны отмирают, неработающие синапсы — стираются.

«Объем человеческого мозга достигает своего максимума к 30–40 годам (именно на этот возраст приходится максимум белого вещества — аксонов <…>), а потом <…> аксоны, которые отвечают за межнейронные связи, редуцируются, годам к восьмидесяти мозг сокращается и становится примерно таким же, как у семилетнего ребенка (по массе, но не по структуре)».

Ворох черного шлака

В рассказе Борхеса «Фунес памятливый» говорится о человеке, который помнил абсолютно все, что видел:

«Форму облаков в южной части неба на рассвете <…> он мог сравнить по памяти и с искусным узором кожаного переплета книги, который он видел только раз, и с воспоминаниями об очертаниях брызг, которые поднял гребец в Рио-Негро во время битвы Квебрахо. Эти воспоминания не были простыми: каждый зрительный образ был связан с мускульными ощущениями, тепловыми ощущениями и т. д. Он мог восстановить все свои мечты и фантазии. Два или три раза он воссоздал целый день».

В первой половине прошлого века жил очень похожий на Фунеса человек — Соломон Вениаминович Шерешевский, которого описал в своей работе «Маленькая книжка о большой памяти: Ум мнемониста» нейропсихолог Александр Романович Лурия (книга вышла спустя 25 лет после публикации рассказа Борхеса).

Шерешевский запоминал грандиозные таблицы цифр и букв (50 и более порядков), мог прочитать их по памяти подряд или чередуя как угодно. Он помнил всякую таблицу даже спустя 10–15 лет после каждого «мнемонического» сеанса. Он просто не мог их забыть.

Субъективно Шерешевский воспринимал запоминаемые буквы и цифры так: «они имеют форму. 1 — это острое число, независимо от его графического изображения это что-то законченное, твердое; 2 — более плоское, четырехугольное, беловатое, бывает чуть серое; 3 — отрезок заостренный и вращается; 4 — опять квадратное, тупое, похожее на 2, но более значительное, толстое; 5 — полная законченность в виде конуса, башни, фундаментальное; 6 — это первая за „5”, беловатая; 8 — невинное, голубовато-молочное, похожее на известь».

Как поясняет Владимир Губайловский, это феномен обостренной формы синестезии — когда воспринимаемые звуки окрашены, цвета звучат, тактильные ощущения дают зрительные образы, а увиденное может воздействовать тактильно: например, «уколоть». Объясняя, как он запоминает таблицы цифр, букв или слов, Шерешевский говорил, что выстраивает их вдоль длинной улицы, как ставил бы вещи, — а потом «идет мимо», видит их и перечисляет.

Соломон Шерешевский вспоминал любопытный случай из своей жизни: «Я подошел к мороженщице, спросил, что у нее есть. „Пломбир”, — она ответила таким голосом, что целый ворох углей, черного шлака выскочил у нее изо рта, — и я уже не мог купить мороженое».

Чтобы научиться забывать, мнемонисту приходилось стараться. Он нашел странное решение: фокусировался на воспоминании и давал себе команду: «Я не хочу это помнить, мне мучительно это помнить», — и это почему-то помогало.

Соломон Шерешевский 

Лурия пишет о Шерешевском:

«Так он и оставался неустроенным <…> менявшим десятки профессий, из которых все были „временными”. Он выполнял поручения редактора, он поступал в музыкальную школу, он играл на эстраде, был рационализатором, затем мнемонистом, вспомнил, что он знает древнееврейский и арамейский языки, и стал лечить людей травами, пользуясь этими древними источниками… У него была семья: хорошая жена, способный сын, но и это все он воспринимал сквозь дымку. И трудно сказать, что было реальнее — мир воображения, в котором он жил, или мир реальности, в котором он оставался временным гостем…»

Логично; ведь способность забывать напрямую связана с умением быстрой адаптации в быстро меняющихся средах — в каковых мы и живем.

Нейронет и экзокортекс

Из книги Владимира Губайловского «Искусственный интеллект и мозг человека» мы также узнаем:

  • о том, почему человек не рождается, чтобы читать, а «печатное слово приходится тщательно прикручивать болтами»;
  • о соединении мозга и компьютерной сети (Нейронета), через которую сигналы одного мозга передаются в другой;
  • о попытках создания экзокортекса (цифровой копии или дополнения коры головного мозга).

А еще о том, почему Илон Маск (и не только он) не исключает, что все мы живем внутри компьютерной симуляции.

Возможно, эта женщина знает секрет сохранения синапсов мозга | Наука

В 2010 году нейробиолог Бет Стивенс прошла путь от лаборанта до звездного исследователя. Тогда ей было 40 лет, она уже второй год работала главным исследователем в Бостонской детской больнице и одновременно преподавала в Гарвардской медицинской школе. У нее была элегантная, недавно построенная лаборатория и команда нетерпеливых постдокторантов. Ее репутация была безупречной, у нее были высокопоставленные сотрудники и ее имя фигурировало во внушительном количестве статей в уважаемых журналах.

Но, как и многие молодые исследователи, Стивенс опасалась, что она находится на грани научной неудачи. Вместо того, чтобы выбрать небольшой управляемый проект, она нацелилась на амбициозную, объединяющую гипотезу, связывающую мозг и иммунную систему для объяснения как нормального развития мозга, так и болезней. Хотя предварительные данные, которые она собрала в качестве постдока в Стэнфордском университете в Пало-Альто, штат Калифорния, были многообещающими, их выводы все еще оставались туманными. «Я подумала: «Что, если моя модель — всего лишь модель, а я подведу всех этих людей?» — говорит она.

Стивенс вместе со своим наставником в Стэнфорде Беном Барресом предположили, что клетки мозга, называемые микроглией, обрезают нейронные связи во время эмбрионального развития и последующего развития в ответ на сигнал от ветви иммунной системы, известной как классический путь комплемента. Если сбой в системе комплемента заставляет микроглию обрезать слишком много или слишком мало соединений, называемых синапсами, они предположили, что это может привести как к нарушениям развития, так и к дегенеративным нарушениям.

Некоторых людей привлекает наука из-за сложности — они предпочитают боль и хотят страдать.Бет действительно нравится то, что она делает, поэтому работать с ней одно удовольствие.

  • Чагла Эроглу, Университет Дьюка

С тех пор находка за находкой укрепляла и расширяла эту картину. Только в этом году Стивенс и ее сотрудники опубликовали статьи в журналах Science и Nature , связывающие путь комплемента и микроглию с такими заболеваниями, как шизофрения, болезнь Альцгеймера и когнитивными проблемами, вызванными заражением вирусом Западного Нила. По словам Стивенса, ожидается исследование болезни Гентингтона.Хотя некоторые ученые говорят, что такие исследования вряд ли приведут к появлению терапии в ближайшее время, клинические испытания антител, которые блокируют систему комплемента в мозге, могут начаться к началу 2017 года для лечения глаукомы и других нейродегенеративных заболеваний. Стивенс решила придерживаться своей гипотезы. нейроиммунолог Ричард Рэнсохофф из биотехнологической компании Biogen в Кембридже, штат Массачусетс, «отлично справился».

Сила природы

Спортивный, с копной светлых кудрей, У Стивенса пронзительные голубые глаза, которые, кажется, способны сбить стакан со стола одной сосредоточенностью.«Она как эспрессо из четырех порций», — говорит Чагла Эроглу, нейробиолог из Университета Дьюка в Дареме, Северная Каролина, которая познакомилась со Стивенсом в Стэнфорде, где они оба прошли обучение в докторантуре.

Выпивая диетическую колу в своем кабинете в Центре наук о жизни Бостонской детской больницы, Стивенс указывает на большую доску, на которой она нацарапала список проектов и заявок на гранты, «чтобы следить за тем, что готовится» для нее и 14 человек. постдоки, аспиранты и техники в ее лаборатории.В любой момент одна команда в ее лаборатории может искать молекулярные триггеры системы комплемента, в то время как вторая наблюдает за микроглией in vivo, а третья исследует, почему одни типы синапсов обрезаются чаще, чем другие. Многосторонняя стратегия Стивенс — это умный ход, который поддерживает продуктивность ее лаборатории и «может открыть много новых направлений для этой области», — говорит Эрик Хуанг, нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Франциско.

Из окна своего офиса Стивенс почти может видеть свой родной город Броктон, штат Массачусетс, где она ходила в государственную школу.Ее отец был директором, мама – учительницей начальных классов. «Даже все их друзья были учителями», — говорит она. «Я думаю, что мои родители все еще задаются вопросом, что там произошло».

Стивенс не интересовался наукой до последнего года обучения в старшей школе, когда ее учитель биологии по программе Advanced Placement рассказал истории о своей другой работе в лаборатории клинической микробиологии. В Северо-восточном университете в Бостоне она последовала его примеру и устроилась на работу в лабораторию больницы. Ее любимый случай связан с эпизодом пищевого отравления, которое она помогла связать с колбасой, зараженной бактерией Listeria monocytogenes .Хотя Стивенс планировала стать врачом, она поняла, что ее больше привлекают исследования. «Меня не столько интересовало общение с пациентами, сколько выяснение того, что с ними не так».

Белок комплемента C4 (зеленый) часто перекрывается с синаптическими маркерами (красные и белые точки) в этой культуре нейронов (синие метки основных клеточных тел), что свидетельствует о том, что он может помечать синапсы для сокращения в развитии мозга и заболеваниях. Хизер Де Ривера. /McCarroll Lab/Harvard

В 1993 году, когда Стивенс приближалась к выпуску, ее профессора посоветовали ей отправиться в Национальный институт здравоохранения (NIH) за дополнительным исследовательским опытом.Когда ее новый муж получил возможность работать в Вашингтоне, округ Колумбия, она поехала с ним, решив устроиться на работу в кампусе NIH в соседнем Бетесде, штат Мэриленд.

Стивенс еженедельно ходила в Национальный институт здоровья, чтобы просмотреть листы с объявлениями о вакансиях. «Это было до появления объявлений о вакансиях в Интернете», — говорит она. Она начала обслуживать столики в ближайшем ресторане Chili’s, чтобы без труда мчаться в Национальный институт здоровья, чтобы проверить наличие новых вакансий. Прошли месяцы; ее резюме томилось. Однажды нейробиолог Дуглас Филдс, у которого была привычка листать отклоненные резюме, представленные в NIH, позвонил Стивенсу и предложил 22-летнему парню работу техническим специалистом.Несмотря на то, что она была «совершенно зеленой», по ее словам, вскоре он сделал ее заведующей своей лабораторией в Национальном институте детского здоровья и развития человека в Бетесде.

Филдса интересовало, как активность мозга увеличивает экспрессию определенных генов в нейронах, в том числе одного, кодирующего белок адгезии под названием L1. Эта молекула помогает клеткам, называемым глией, обернуть проводообразные отростки нейронов, известные как аксоны, слоями жировой изоляции или миелина. Стивенс провел часы в лаборатории, пытаясь смоделировать процесс в чашке.В конце концов, ей это удалось. Филдс указал ее имя в качестве соавтора итоговой статьи — редкая честь для техника ( Science , 24 марта 2000 г., стр. 2267). И Стивенс остался со страстью к глии, клеткам, которые нейробиологи долгое время считали «домашними хозяйствами», пассивно обеспечивающими нейроны питательными веществами и поглощающими избыток ионов и нейротрансмиттеров.

Стивенс решил получить докторскую степень. в неврологии в Университете Мэриленда, Колледж-Парк, продолжая работать в NIH.По окончании она вернулась к постоянной работе техником Филдса и заведующей лабораторией. К тому моменту она привлекла внимание Стори Лэндиса, тогдашнего директора Национального института неврологических расстройств и инсульта (NINDS) в Бетесде. Глава NINDS сказал Стивенс, что она «сумасшедшая», чтобы не продолжать карьеру независимого ученого, посоветовав ей получить постдокторскую должность в другом месте и предложив помощь с контактами.

Баррес, один из ведущих мировых исследователей глии, в конце концов пригласил Стивенса присоединиться к его лаборатории.По словам Рансохоффа, она не могла бы найти лучшего места, чтобы заниматься амбициозной, масштабной наукой. Хотя есть много способов мотивировать людей, объясняет он: «Любите их до чертиков, пугайте их до чертиков и работайте над ними до чертиков» — Баррес «чертовски поддерживает их ресурсами, советами и научное направление, когда это необходимо, а затем отпускает их».

Стивенс был «силой природы», вспоминает Баррес. «Она всегда работала допоздна, в праздники, по ночам, в выходные.«Она также оживила общественную жизнь лаборатории, организовав счастливые часы и вечеринки в честь дня рождения каждого, — говорит Эроглу. — Некоторых людей привлекает наука из-за трудностей — они предпочитают боль и хотят страдать. Бет действительно нравится то, что она делает, поэтому работать с ней одно удовольствие.»

Баррес и его команда долгое время изучали звездчатые глиальные клетки головного мозга, называемые астроцитами, которые выделяют химические вещества, влияющие на рост нейронов. Карен Кристоферсон, также постдоктор Барреса, обнаружила еще одно замечательное свойство астроцитов: они, по-видимому, побуждают нейроны значительно увеличивать производство белка, называемого C1q.Известно, что в других частях тела C1q запускает сложный молекулярный каскад классического пути комплемента.

Отсеивание слабых

Два типа иммунных клеток плюс белки комплемента работают вместе, чтобы сократить менее активные синапсы в развитии мозга, и этот процесс может ненормально активироваться при некоторых заболеваниях. V. Altounian/ Наука

Помимо прочего, система комплемента помогает маркировать патогены и поврежденные клетки как клеточный мусор по всему телу, прикрепляя к ним белковые метки, которые служат сигналом «съешь меня» для иммунных клеток, называемых макрофагами.Открытие Кристоферсона заставило Барреса и Стивенса задуматься о том, играет ли система комплемента роль в ключевом процессе развития мозга в утробе матери и после рождения: помечая и обрезая заросли вновь образованных синапсов и оставляя только функциональные связи. Они предположили, что если бы C1q был необходим для правильного сокращения, синапсы у мышей без белка должны быть разрушены.

Стивенс и Баррес получили мышей, у которых был нокаутирован ген C1q, а затем искали изменения в глубокой области зрительной системы мозга, называемой зрительным таламусом.Еще до того, как новорожденное животное откроет глаза, нейроны в этой области подвергаются массовому сокращению синапсов, оставляя четко организованную систему, в которой большинство клеток получают входные данные только от правого или левого глаза.

По словам Стивенса, у мышей, у которых отсутствовал C1q, не было никаких явных нарушений зрения. Но у них было слишком много нейронных связей в ключевом передаточном центре зрительного пути, латеральном коленчатом теле (LGN), что свидетельствует о том, что C1q необходим для улучшения синапсов. Этот белок практически отсутствует в нейронах здоровых мышей со зрелым мозгом, что позволяет предположить, что он играет лишь мимолетную роль на ранних стадиях развития мозга.Однако на мышиной модели глаукомы — заболевания, при котором нейроны сетчатки разрушаются — Стивенс показал, что уровни C1q были намного выше нормы. Результаты, о которых сообщалось в Cell в 2007 году, «были действительно новыми и заложили основу для всей области», чтобы более внимательно изучить роль комплемента в развитии и функционировании мозга, говорит Хуан.

В более поздних исследованиях мышей с нокаутом C1q стэнфордский нейробиолог Дэвид Принс, работавший в сотрудничестве со Стивенсом и Барресом, обнаружил, что гиперсвязанные нейронные связи в коре головного мозга животных делают их склонными к судорогам, потере памяти и другим когнитивным расстройствам.Затем Стивенс и ее коллеги сосредоточились на том, что происходило в постнатальном мозге. Видеоклип, созданный постдоком Барреса Акселем Ниммерьяном и записанный через прозрачное окно в черепе мыши, намекает на то, что за это ответственна микроглия, играющая роль микрофагов в мозге. Клетки непрерывно вытягивались и втягивались тонкими выпячиваниями, как будто активно исследуя. Стивенс никогда не видел, чтобы какая-либо другая клетка двигалась так целенаправленно. Она была поражена. «Я имею в виду, я любила астроциты, но они этого не делают», — говорит она.

До этого момента Стивенс и многие другие игнорировали микроглию, потому что считалось, что она слишком поздно появляется в мозге, чтобы влиять на развитие нервной системы. Однако группа под руководством Мириам Мерад из Медицинской школы Маунт-Синай в Нью-Йорке продемонстрировала, что микроглия начинает заселять мозг в течение нескольких дней после беременности ( Science , 5 ноября 2010 г., стр. 841). По словам Стивенса, это сделало их «идеальными кандидатами» для проведения ранней синаптической обрезки. Микроглия также была единственной известной клеткой головного мозга с рецептором C3, нижележащим продуктом каскада комплемента.

В поисках дымящегося пистолета

После завершения постдокторской работы в Барресе Стивенс приняла предложение о работе из Бостона и направилась обратно на восток, намереваясь собрать воедино кусочки головоломки. Ее первой задачей было найти способ проверить, действительно ли микроглия поглощает фрагменты синапсов в живом мозге. Дори Шафер, одной из первых постдоков, нанятых Стивенсом, пришло в голову объединить мышей, генетически модифицированных таким образом, чтобы их микроглия светилась ярко-зеленым в ультрафиолетовом свете, с системой, которую Баррес и Стивенс использовали для разделения проекций сетчатки в LGN.Система заставила синапсы, связанные с одним глазом, казаться красными, а синапсы, связанные с другим глазом, — синими. Все, что нужно было сделать Шаферу, — это найти кусочки красных и синих синапсов внутри зеленой микроглии. Однажды субботним днем ​​пришли первые результаты. «Я до сих пор помню первую клетку, которую я увидел, с фрагментами пресинаптических окончаний внутри нее», — говорит Шафер.

Ученые давно знали, что активность нейронов укрепляет синапсы, тогда как менее активные синапсы уничтожаются, и Стивенс и другие предсказали, что микроглия будет атаковать более слабые связи нейрона.Чтобы проверить эту гипотезу, Шафер применил фармакологические вещества к глазам развивающихся мышей, чтобы увеличить или уменьшить активацию нейронов в одном глазу, и обнаружил, что менее активные синаптические связи более агрессивно поедаются и отсекаются микроглией. Она также использовала мышей, у которых в микроглии отсутствовал рецептор комплемента, и обнаружила, что это снижает скорость, с которой клетки пожирают синапсы. По ее словам, у мышей также было больше синапсов, чем у контрольной группы, подобно нокаутам C1q,
.

Пока Шафер и Стивенс писали об этих выводах, конкурирующая группа под руководством Корнелиуса Гросса из Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге (Германия) подняла жару, опубликовав концептуально похожую статью в журнале Science . Исследование показало, что микроглия играет роль в сокращении синапсов в гиппокампе, но указало на другой белок, связанный с иммунной системой, называемый фракталкином, который, среди прочего, управляет миграцией микроглии вокруг мозга, как на ключевого игрока.У мышей, лишенных рецептора для этого белка, задерживалось созревание нейронных связей. Работа Гросса, однако, не указала на четкий механизм сокращения. Шафер и Стивенс поспешили опубликовать свою работу по дополнению в Neuron . Их вклад был особенно провокационным, говорит Гросс, потому что уже давно было известно, что классическая система комплемента участвует в поглощении патогенов и мертвых или поврежденных клеток. «Это действительно похоже на дымящийся пистолет».

Однако до сих пор никто окончательно не доказал, что микроглия питается синапсом в мозгу живого животного.Доказательства носят косвенный характер, отмечает Гросс — из снимков до и после, показывающих либо микроглию, парящую рядом с синапсом, либо микроглию, поглотившую части синапса. На этих изображениях неясно, активно ли микроглия поедала синапсы или просто пожирала части, которые уже ослабли или отпали. Но Шафер, в настоящее время доцент Медицинской школы Массачусетского университета в Вустере, считает, что у нее есть способ поймать обрезку в действии. Она изучает бочкообразную кору мышей, часть мозга грызунов, которая связана с усами животных.«Если мы манипулируем одним усом, мы точно знаем, где искать» синаптические изменения, говорит она, что должно увеличить шансы на получение изображений микроглии в процессе поедания синапсов.

Новый способ лечения заболеваний головного мозга

Хотя в настоящее время общепризнано, что C1q необходим для правильной нейронной связи в раннем возрасте, появляется все больше доказательств того, что эта молекула может быть вредной в более позднем возрасте. Баррес обнаружил, что по мере старения мышей и людей уровни C1q в их мозгу повышаются в 300 раз.Снижение его уровня или блокирование его способности запускать каскад комплемента ограничивает ухудшение когнитивных функций и памяти у стареющих мышей по сравнению с контрольной группой, не получавшей лечения, как показали Стивенс и другие исследователи.

Исследования болезней человека также намекают на то, что комплемент может вызвать вредную потерю синапсов. В январе генетик Стивен МакКэрролл из Гарвардской медицинской школы и Института Броуда в Кембридже, штат Массачусетс, сообщил о доказательствах того, что ген C4A , который кодирует белок комплемента ниже C1q, может способствовать потере синапсов и истончению мозговой ткани, которые характеризуют шизофрению. .Проанализировав данные генома более чем 64 000 человек, они обнаружили, что подмножество людей с психическим расстройством с большей вероятностью, чем контрольная группа, имеют гиперактивную версию C4A . Когда МакКэрролл и Стивенс объединились с Майклом Кэрроллом из Гарварда, который вырубил мышиную версию этого гена, они обнаружили у измененных грызунов уменьшенное сокращение синапсов во время постнатального развития. Гросс и другие приветствовали потенциальный новый механизм шизофрении, опубликованный в Nature , как большое достижение.

В следующем месяце, в Science , Стивенс описал результаты, предполагающие, что избыточная микроглия ответственна за раннюю потерю синапсов при болезни Альцгеймера ( Science , 6 мая, стр. 712). У нескольких линий мышей, выведенных для производства чрезмерного количества амилоида, белка, который образует бляшки в мозгу людей с болезнью Альцгеймера, аномально высокие уровни C1q вызвали праздник микроглии, который разрушил функциональные синапсы задолго до образования бляшек и появления симптомов когнитивных нарушений.Этот характер снижения согласуется с наблюдениями о том, что потеря синапсов является более сильным предиктором симптомов болезни Альцгеймера, чем амилоидные бляшки, и «проливает свет на то, что происходит на ранней стадии болезни», — говорит Джонатан Кипнис, нейробиолог из Университета Вирджинии. Школа медицины в Шарлотсвилле.

Совсем недавно, в Nature , сотрудничество с группой Стивенса под руководством нейробиолога Робин Кляйн из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, штат Миссури, продемонстрировало на мышах, что классический путь комплемента также активизируется во время выздоровления от инфекции, вызванной вирусом Западного Нила, управляя микроглией. поглощать синапсы с опасной скоростью.Это может помочь объяснить хронические нарушения памяти, которые испытывают более половины людей после заражения, говорит Хуанг, который называет исследование «захватывающим».

Такие результаты вызвали интерес к клиническим воздействиям на C1q. Лидирует компания Annexon Biosciences из Южного Сан-Франциско, штат Калифорния. Основанная Барресом еще в 2011 году, после того как данные на мышах показали, что блокирование C1q может быть полезным при множественных нейродегенеративных и аутоиммунных заболеваниях, Annexon разработал несколько антител, которые могут связывать и блокировать действие белка комплемента.

Компания, в которой Стивенс является акционером, планирует к следующему году начать клинические испытания препаратов на людях с болезнью Альцгеймера, Гентингтона и глаукомой, но Хуан и другие предупреждают, что лекарства могут не оказать влияния на более сложные расстройства. например шизофрения. Другой задачей будет показать, что антитела действительно сохраняют синапсы. Один инструмент может вырасти из исследования, опубликованного в прошлом месяце в журнале Science Translational Medicine , в котором исследовательская группа показала, что может использовать позитронно-эмиссионную томографию для количественной оценки количества и потери синапсов у живых людей.Стивенс говорит, что это может быть «действительно важно».

Теперь, когда Стивенс начала свою собственную лабораторию, ее беспокойства рассеялись. Она уверена в своей науке и привыкает к новой роли наставника, стремясь повторить то, что когда-то сделали для нее другие. Стивенс «уже перенес» среду инкубатора в стиле Барреса в Бостон и произвел исключительных «научных внуков», говорит Рансохофф.

Стивенс недавно начал еще один счастливый час — на этот раз для других младших главных следователей в районе Бостона.Когда люди видят, как другие люди начинают свою карьеру, и это выглядит непринужденно, «они не знают, через что вы на самом деле проходите», — говорит бывшая официантка и лаборант Chili. «Когда у вас есть возможность собраться вместе и выпить пива, вы понимаете, что мы все проходим через одно и то же».

Узнайте больше в нашем специальном пакете «Нейроиммунология».

Неожиданное исследование обнаружило, что нейроны приматов имеют меньше синапсов в зрительной коре, чем мыши.

Приматов обычно считают «умнее» мышей.Но исследователи-неврологи из Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории обнаружили, что у мышей на самом деле больше синапсов, соединяющих нейроны в их мозгу.

В ходе исследования, сравнивающего мозг макак и мышей на синаптическом уровне, исследователи обнаружили, что у приматов гораздо меньше синапсов на нейрон по сравнению с грызунами. Используя моделирование искусственной рекуррентной нейронной сети, команда смогла определить, что метаболические затраты на создание и поддержание синапсов, вероятно, приводят к тому, что более крупные нейронные сети становятся более разреженными, как это наблюдается у приматов по сравнению с нейронами мыши.Результаты были опубликованы 14 сентября в Cell Reports.

Исследовательская группа, состоящая из ученых из лабораторий Дэвида Фридмана в Калифорнийском университете в Чикаго и Нараянана «Бобби» Кастури из Аргоннской национальной лаборатории, использовала последние достижения в области электронной микроскопии, а также существующие общедоступные наборы данных, чтобы сравнить взаимосвязь в обоих разновидность. Они решили изучить как возбуждающие, так и тормозные синапсы, поскольку большинство предыдущих исследований были сосредоточены только на возбуждающих синапсов.Сосредоточение внимания на нейронах слоя 2/3 в первичной зрительной коре взрослых упростило сравнение между видами, поскольку эти нейроны имеют различную морфологию, сходную как у приматов, так и у мышей.

После реконструкции микроскопических изображений и измерения формы 107 нейронов макаки и 81 нейрона мыши исследователи выявили около 6000 синапсов в образцах макаки и более 9700 синапсов в образцах мыши. Сравнив наборы данных, они обнаружили, что нейроны приматов получают в два-пять раз меньше возбуждающих и тормозных синаптических связей, чем аналогичные нейроны мыши.

«Причина, почему это удивительно, заключается в том, что среди нейробиологов и, я думаю, среди людей в целом существует тихое предположение, что наличие большего количества нейронных связей означает, что вы умнее», — сказал Грегг Вильденберг, штатный научный сотрудник в Кастури. лаборатория «Эта работа ясно показывает, что, хотя в целом в мозгу приматов больше соединений, потому что там больше нейронов, если вы посмотрите на каждый нейрон, у приматов на самом деле меньше синапсов.

«Но мы знаем, что нейроны приматов могут выполнять вычисления, которые не могут нейроны мыши.Это поднимает интересные вопросы, например, каковы последствия построения более крупной нейронной сети, подобной той, что наблюдается у приматов?»

Обнаружив это удивительное открытие, Вильденберг связался с Мэттом Розеном, аспирантом лаборатории Фридмана, надеясь, что Розен сможет применить свои вычислительные навыки для лучшего понимания несоответствия в количестве синапсов и его возможной причины.

«Мы всегда ожидали, что плотность синапсов у приматов будет такой же, как у грызунов, или, может быть, даже выше, потому что в мозгу приматов больше места и больше нейронов», — сказал Розен.«В свете удивительного открытия Грегга мы задумались о том, почему нейроны приматов создают меньше связей, чем ожидалось. И мы подумали, что, возможно, это было вызвано эволюционными силами — что, возможно, причиной этой разницы могут быть энергетические затраты, связанные с поддержанием мозга. Поэтому мы разработали модели искусственных нейронных сетей и обучили их выполнять задачи, в то время как мы дали им ограничения, основанные на метаболических затратах, с которыми сталкивается реальный мозг, чтобы увидеть, как это влияет на связность, которая возникает в возникающих сетях.

При моделировании учитывались две потенциальные метаболические затраты: стоимость отдельных электрических сигналов, посылаемых нейронами, называемых потенциалами действия, которые энергетически очень дороги, и стоимость создания и поддержания синапсов между различными клетками. Они обнаружили, что по мере увеличения количества нейронов в сети растущие метаболические ограничения затрудняли создание и поддержание связей между клетками, что приводило к снижению плотности синапсов.

«Мозг составляет всего около 2,5% от общей массы нашего тела, но требует около 20% всей энергии тела», — сказал Вильденберг. «Это очень дорогой орган. Считается, что большая часть этой энергии тратится на синапсы, как на энергию для общения через синапсы, так и на их создание и поддержание. По мере того, как мозг становится больше, с большим количеством нейронов, с точки зрения метаболизма, скорее всего, возникнут компромиссы».

Результаты, по словам исследователей, помогут в будущих исследованиях как на приматах, так и на мышах, а также на сравнениях между ними.

«По сути, я думаю, что все нейробиологи хотят понять, что делает нас людьми — что отличает нас от других приматов и от мышей», — сказал Вильденберг. «Мы работаем над коннектомикой, которая сосредоточена на понимании нейроанатомии на уровне отдельных связей. До этого не было хорошо описано, существуют ли различия на уровне связей, которые могли бы дать нам ключ к пониманию того, как эволюция строит разные типы мозга

.

«Каждый мозг — это нейроны, и каждый нейрон соединяется с другими нейронами и общается с ними стереотипным образом.Как эволюция работает в рамках этих ограничений, создавая разные виды мозга? Вы должны изучить мышей, приматов и кучу других видов, чтобы действительно начать понимать, что здесь происходит».

Розен также отмечает, что понимание различий между видами может помочь прояснить общие принципы работы мозга и лучше понять поведение. «Сравнительный подход позволяет нам тщательно обдумать анатомию мозга в контексте специфического поведения организма», — сказал он.«Никто не относится к мыши и примату одинаково; они ведут себя по-разному. Эти фундаментальные наблюдения анатомических различий между ними могут позволить нам извлечь общие принципы, которые можно применять к разным видам, а также то, что уникально для каждого животного».

Например, понимание плотности синапсов — и, в частности, соотношения возбуждающих и тормозных синапсов — может помочь в исследованиях неврологических состояний, таких как болезнь Паркинсона и аутизм. «Если мы измерим только отношение возбуждения/торможения у мышей и предположим, что оно одинаково для всех видов, как это повлияет на наше понимание болезни?» — сказал Вильденберг.«Мы обнаружили различия в соотношении возбуждение/торможение у приматов по сравнению с мышами; каковы последствия того, как мы переводим эти модели на людей?»

Будущие исследования будут включать изучение подобных вопросов в процессе развития мозга, работу над тем, чтобы понять, как количество и плотность синапсов влияют на сеть с течением времени, и как это развитие отличается у мышей и приматов.

Дополнительные авторы включают Дон Паукнер из Калифорнийского университета в Чикаго.

Цитата: «Нейронные связи приматов редки в коре головного мозга по сравнению с мышью.” Вильденберг и др., Cell Reports , 14 сентября 2021 г.

Финансирование: Фонд Макнайта, Национальные институты здравоохранения, Национальный научный фонд

— Адаптировано из статьи, опубликованной Чикагским медицинским университетом.

Синаптическая физиология — brain-map.org

 Институт наук о мозге имени Аллена стремится углубить наше понимание типов нейронных клеток, описывая закономерности связи между ними и характеризуя их синаптические сигналы.Проект Synaptic Physiology продвигает эту цель, исследуя внутриламинарную связь между подклассами нейронов ? в коре головного мозга человека и мыши с помощью in vitro  электрофизиологии. Этот набор данных легко доступен и создается с использованием стандартизированных экспериментальных методов и анализа. Применение набора данных широкое, поскольку данные подходят для параметризации исследований синаптического моделирования, решения вопросов связи более высокого порядка и информирования о текущем понимании кортикальной микросхемы.

 

синаптический подключение

сила и кинетика краткосрочная пластичность
Измерение вероятности связи между подклассами клеток коры и связь с межсоматической дистанцией. более… Синаптическая сила, латентность и кинетика нарастания/спада, полученные на основе записей фиксации тока и напряжения. подробнее…

Кратковременная пластичность, вызванная сериями стимулов с разной продолжительностью всплесков. подробнее…

 

 

 

Как использовать набор данных синаптической физиологии

Изучите взаимодействие таких функций, как сила синапсов, фасилитация, депрессия и т. д., с помощью онлайн-блокнотов Jupyter или интерактивных настольных инструментов.Кроме того, вы можете получить доступ к данным напрямую через наш Python API.

Подробнее о том, как получить доступ к данным

   

Методы

Связность между подклассами клеток была исследована с помощью электрофизиологии с множественными зажимами на срезах коры головного мозга человека и мыши. Трансгенные мыши позволили визуализировать две популяции клеточных подклассов на одном срезе и определить связи между ними.

Подробнее об экспериментальных методах

 

Были идентифицированы связи между зарегистрированными парами нейронов, и были охарактеризованы такие свойства, как сила, кинетика и краткосрочная пластичность, чтобы определить, как синаптические свойства различаются среди разных классов клеток.

Подробнее о методах анализа

 

 

Общайтесь с нами на форуме сообщества

Будьте в курсе того, что будет

Симэн, Кампаньола и др.др. eLife 2018 Кампаньола, Симэн и др. др. Наука 2022

 

Как цитировать этот набор данных:

© Институт исследований мозга Аллена, 2019 г. Набор данных Synaptic Physiology Coarse Matrix. Доступно по адресу: https://brain-map.org/explore/connectivity/synaptic-physiology

.

Новая мемристорная цепь имитирует синапсы в мозге

Этот танец, называемый динамическое масштабирование напряжения и частоты (DVFS) постоянно происходит в процессоре, называемом системой на кристалле (SoC), который управляет вашим телефоном и ноутбуком, а также серверами, которые их поддерживают.Все это сделано для того, чтобы сбалансировать вычислительную производительность с энергопотреблением, что особенно сложно для смартфонов. Схемы, которые организуют DVFS, стремятся обеспечить стабильные часы и стабильный уровень напряжения, несмотря на скачки тока, но они также являются одними из самых сложных для проектирования.

В основном это связано с тем, что схемы генерации тактовых импульсов и схемы регулирования напряжения являются аналоговыми, в отличие от почти всего остального на SoC вашего смартфона. Мы привыкли к почти ежегодному выпуску новых процессоров со значительно большей вычислительной мощностью благодаря достижениям в производстве полупроводников.«Перенос» цифровой схемы со старого полупроводникового процесса на новый — это не пикник, но это ничто по сравнению с попыткой перенести аналоговые схемы на новый процесс. Аналоговые компоненты, которые обеспечивают DVFS, особенно схема, называемая регулятором напряжения с малым падением напряжения (LDO), не масштабируются, как цифровые схемы, и должны быть переработаны с нуля с каждым новым поколением.

Если бы вместо этого мы могли создавать LDO и, возможно, другие аналоговые схемы из цифровых компонентов, их было бы гораздо проще портировать, чем любую другую часть процессора, что значительно сэкономило бы затраты на проектирование и освободило инженеров для решения других проблем, которые решают современные микросхемы. имеет в запасе.Более того, получившиеся цифровые LDO могут быть намного меньше, чем их аналоговые аналоги, и в некоторых отношениях работать лучше. За последние несколько лет исследовательские группы в промышленности и академических кругах протестировали не менее дюжины проектов, и, несмотря на некоторые недостатки, вскоре может появиться коммерчески полезный цифровой LDO.

Регуляторы напряжения с малым падением напряжения (LDO) позволяют нескольким процессорным ядрам на одной и той же шине входного напряжения (V IN ) работать при разных напряжениях в зависимости от их рабочих нагрузок.В этом случае Core 1 предъявляет самые высокие требования к производительности. Его головной ключ, представляющий собой группу параллельно соединенных транзисторов, закрыт, минуя LDO и напрямую подключая Core 1 к V IN , питание которого подается от внешней ИС управления питанием. Однако ядра со 2 по 4 имеют менее требовательные рабочие нагрузки. Их LDO задействованы для питания ядер напряжением, позволяющим экономить электроэнергию.

Базовый аналоговый стабилизатор напряжения с малым падением напряжения [слева] регулирует напряжение через контур обратной связи.Он пытается сделать выходное напряжение (V DD ) равным опорному напряжению, контролируя ток через мощный PFET. В базовой цифровой схеме [справа] независимые часы запускают компаратор [треугольник], который сравнивает опорное напряжение с V DD . Результат сообщает логике управления, сколько мощных PFET следует активировать.

ТИПИЧНАЯ СИСТЕМА-НА-ЧИПЕ для смартфона — это чудо интеграции. На одном кусочке кремния он объединяет несколько процессорных ядер, графический процессор, процессор цифровых сигналов, нейронный процессор, процессор сигналов изображения, а также модем и другие специализированные логические блоки.Естественно, повышение тактовой частоты, управляющей этими логическими блоками, увеличивает скорость, с которой они выполняют свою работу. Но для работы на более высокой частоте им также требуется более высокое напряжение. Без этого транзисторы не могут включаться или выключаться до очередного такта процессора. Конечно, более высокая частота и напряжение достигаются за счет энергопотребления. Таким образом, эти ядра и логические блоки динамически изменяют свою тактовую частоту и напряжение питания — часто в диапазоне от 0,95 до 0,45 В — в зависимости от баланса энергоэффективности и производительности, которого они должны достичь для любой рабочей нагрузки, на которую они возложены — съемка видео, воспроизведение музыки. файл, передающий речь во время разговора и так далее.

Как правило, внешняя микросхема управления питанием генерирует несколько значений входного напряжения (V IN ) для SoC телефона. Эти напряжения доставляются к областям чипа SoC по широким межсоединениям, называемым шинами. Но количество соединений между чипом управления питанием и SoC ограничено. Таким образом, несколько ядер SoC должны использовать одну и ту же шину V IN .

Но не все они должны получать одинаковое напряжение благодаря регуляторам напряжения с малым падением напряжения.LDO вместе со специальными тактовыми генераторами позволяют каждому ядру на общей шине работать с уникальным напряжением питания и тактовой частотой. Ядро, требующее наивысшего напряжения питания, определяет общее значение V IN . Микросхема управления питанием устанавливает V IN на это значение, и это ядро ​​полностью обходит LDO через транзисторы, называемые головными переключателями.

Чтобы свести энергопотребление к минимуму, другие ядра могут работать при более низком напряжении питания. Программное обеспечение определяет, каким должно быть это напряжение, и аналоговые LDO довольно хорошо справляются с его подачей.Они компактны, недороги в изготовлении и относительно просто интегрируются в микросхему, поскольку не требуют больших катушек индуктивности или конденсаторов.

Но эти LDO могут работать только в определенном окне напряжения. На верхнем уровне целевое напряжение должно быть ниже, чем разница между V IN и падением напряжения на самом LDO (одноименное «напряжение падения»). Например, если напряжение питания, которое было бы наиболее эффективным для ядра, равно 0,85 В, но V IN равно 0.95 В, а падение напряжения LDO составляет 0,15 В, это ядро ​​не может использовать LDO для достижения 0,85 В и вместо этого должно работать при 0,95 В, теряя некоторую мощность. Точно так же, если V IN уже был установлен ниже определенного предела напряжения, аналоговые компоненты LDO не будут работать должным образом, и схема не может быть задействована для дальнейшего снижения напряжения питания ядра.

Основным препятствием, которое до сих пор ограничивало использование цифровых LDO, является медленная переходная характеристика.

Однако, если желаемое напряжение попадает в окно LDO, программное обеспечение включает схему и активирует опорное напряжение, равное целевому напряжению питания.

КАК LDO обеспечивает нужное напряжение? В базовой аналоговой конструкции LDO это осуществляется с помощью операционного усилителя, обратной связи и специализированного мощного p -канального полевого транзистора (PFET). Последний представляет собой транзистор, уменьшающий свой ток при увеличении напряжения на его затворе. Напряжение затвора для этого мощного PFET представляет собой аналоговый сигнал, поступающий от операционного усилителя, в диапазоне от 0 вольт до В . Операционный усилитель непрерывно сравнивает выходное напряжение схемы — напряжение питания ядра или V DD — с заданным опорным напряжением.Если выходное напряжение LDO падает ниже опорного напряжения, как это происходит, когда новая активная логика внезапно требует большего тока, операционный усилитель уменьшает напряжение затвора мощного полевого транзистора, увеличивая ток и поднимая V DD до значения опорного напряжения. И наоборот, если выходное напряжение превышает опорное напряжение, как это было бы, когда логика ядра менее активна, операционный усилитель увеличивает напряжение затвора транзистора, чтобы уменьшить ток и снизить V DD .

Базовый С другой стороны, digital LDO состоит из компаратора напряжения, управляющей логики и ряда параллельных силовых полевых транзисторов.(LDO также имеет свою собственную схему синхронизации, отдельную от тех, которые используются ядром процессора.) В цифровом LDO напряжения затвора для мощных полевых транзисторов представляют собой двоичные значения, а не аналоговые, либо 0 В, либо В IN .

С каждым тактом компаратор измеряет, находится ли выходное напряжение ниже или выше целевого напряжения, обеспечиваемого опорным источником. Выход компаратора управляет логикой управления при определении того, сколько мощных полевых транзисторов нужно активировать. Если выход LDO ниже целевого значения, логика управления активирует больше мощных PFET.Их суммарный ток поддерживает напряжение питания ядра, и это значение возвращается в компаратор, чтобы поддерживать его на заданном уровне. Если он выходит за пределы, компаратор сигнализирует логике управления, чтобы отключить некоторые из PFET.

НИ АНАЛОГОВЫЙ , ни цифровой LDO не идеальны, конечно. Основное преимущество аналоговой схемы заключается в том, что она может быстро реагировать на кратковременные провалы и выбросы напряжения питания, что особенно важно, когда эти события связаны с резкими изменениями.Эти переходные процессы возникают из-за того, что потребность ядра в токе может значительно увеличиваться или уменьшаться в течение нескольких наносекунд. В дополнение к быстрому отклику аналоговые LDO очень хорошо подавляют изменения в V IN , которые могут исходить от других ядер на шинах. И, наконец, когда текущие требования не сильно меняются, он жестко контролирует выходной сигнал, не допуская постоянного превышения или недостижения цели, что вызывает пульсации в V DD .

Внезапное изменение потребности ядра в токе может привести к скачку или падению выходного напряжения LDO [вверху].Базовые цифровые схемы LDO плохо справляются с этим [внизу слева]. Однако схема, называемая адаптивной выборкой с пониженной динамической стабильностью (внизу справа), может уменьшить степень скачка напряжения. Это достигается за счет увеличения частоты дискретизации LDO, когда спад становится слишком большим, что позволяет схеме реагировать быстрее. Источник: С.Б. Насир и др., Международная конференция IEEE по твердотельным схемам (ISSCC), февраль 2015 г., стр. 98–99.

Эти свойства сделали аналоговые LDO привлекательными не только для питания процессорных ядер, но и почти для любой схемы, требующей тихого, стабильного напряжения питания.Тем не менее, есть некоторые критические проблемы, которые ограничивают эффективность этих конструкций. Первые аналоговые компоненты намного сложнее, чем цифровая логика, и для их реализации в передовых технологических узлах требуется длительное время проектирования. Во-вторых, они не работают должным образом, когда V IN имеет низкий уровень, что ограничивает то, насколько низкий уровень V DD они могут передать ядру. И, наконец, падение напряжения аналоговых LDO не так мало, как хотелось бы разработчикам.

Принимая во внимание эти последние пункты, аналоговые LDO предлагают ограниченное окно напряжения, в котором они могут работать.Это означает, что упущены возможности включения LDO для энергосбережения — достаточно больших, чтобы заметно увеличить время автономной работы смартфона.

Цифровые LDO устраняют многие из этих недостатков: не имея сложных аналоговых компонентов, они позволяют разработчикам использовать множество инструментов и других ресурсов для цифрового проектирования. Таким образом, масштабирование схемы для нового технологического процесса потребует гораздо меньше усилий. Цифровые LDO также будут работать в более широком диапазоне напряжений. На низковольтной стороне цифровые компоненты могут работать при значениях V IN , которые недоступны для аналоговых компонентов.А в более высоком диапазоне падение напряжения цифрового LDO будет меньше, что приведет к значительной экономии энергии ядра.

Но ничего бесплатного не бывает, и цифровой LDO имеет ряд серьезных недостатков. Большинство из них возникают из-за того, что схема измеряет и изменяет свой выходной сигнал только в дискретные моменты времени, а не непрерывно. Это означает, что схема сравнительно медленно реагирует на провалы и выбросы напряжения питания. Он также более чувствителен к изменениям V IN и имеет тенденцию создавать небольшие пульсации выходного напряжения, которые могут ухудшить производительность ядра.

Из них основным препятствием, которое до сих пор ограничивало использование цифровых LDO, является их медленная переходная характеристика. Ядра испытывают провалы и выбросы, когда ток, который они потребляют, резко меняется в ответ на изменение его рабочей нагрузки. Время отклика LDO на события спада имеет решающее значение для ограничения того, насколько сильно падает напряжение и как долго длится это состояние. Обычные сердечники добавляют запас прочности к напряжению питания, чтобы обеспечить правильную работу во время провалов. Более высокий ожидаемый спад означает, что запас должен быть больше, что снижает преимущества энергоэффективности LDO.Таким образом, ускорение реакции цифрового LDO на провалы и выбросы является основным направлением передовых исследований в этой области.

НЕКОТОРЫЕ ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ помогли ускорить реакцию схемы на провалы и выбросы. Один подход использует тактовую частоту цифрового LDO в качестве ручки управления для обмена стабильности и энергоэффективности на время отклика.

Более низкая частота улучшает стабильность LDO просто потому, что выходной сигнал не будет меняться так часто. Это также снижает энергопотребление LDO, поскольку транзисторы, из которых состоит LDO, переключаются реже.Но это происходит за счет более медленной реакции ядра процессора на переходные текущие требования. Вы можете понять, почему это так, если учесть, что большая часть переходных событий может произойти в течение одного тактового цикла, если частота слишком низкая.

И наоборот, высокая тактовая частота LDO уменьшает время отклика на переходный процесс, поскольку компаратор достаточно часто производит выборку выходного сигнала, чтобы изменить выходной ток LDO раньше в переходном событии. Однако эта постоянная выборка ухудшает стабильность выходных данных и потребляет больше энергии.

Суть этого подхода заключается во введении часов, частота которых адаптируется к ситуации, схемы, называемой адаптивной частотой дискретизации с пониженной динамической стабильностью. Когда провалы или выбросы напряжения превышают определенный уровень, тактовая частота увеличивается для более быстрого уменьшения переходного эффекта. Затем он замедляется, чтобы потреблять меньше энергии и поддерживать стабильное выходное напряжение. Этот трюк достигается путем добавления пары дополнительных компараторов для обнаружения условий перерегулирования и спада и запуска тактового генератора.При измерениях на тестовой микросхеме с использованием этой методики падение напряжения V DD уменьшилось с 210 до 90 мВ, что на 57% меньше по сравнению со стандартной конструкцией цифрового LDO. А время, необходимое для стабилизации напряжения, сократилось с 5,8 мкс до 1,1 микросекунды, что на 81 процент больше.

Альтернативный подход к улучшению переходного времени отклика состоит в том, чтобы сделать цифровой LDO немного аналоговым. В конструкцию интегрирована отдельная аналоговая петля, которая мгновенно реагирует на переходные процессы нагрузки.Аналоговая петля связывает выходное напряжение LDO с параллельными PFET LDO через конденсатор, создавая петлю обратной связи, которая срабатывает только при резком изменении выходного напряжения. Таким образом, когда выходное напряжение падает, оно снижает напряжение на активированных затворах PFET и мгновенно увеличивает ток в сердечнике, чтобы уменьшить величину падения. Было показано, что такая аналоговая петля уменьшает падение напряжения с 300 до 106 мВ, улучшение на 65 процентов, и перерегулирование с 80 до 70 мВ (13 процентов).

Альтернативный способ заставить цифровые LDO быстрее реагировать на падение напряжения — добавить аналоговую петлю обратной связи в силовую часть схемы PFET [вверху]. Когда выходное напряжение падает или выходит за пределы диапазона, аналоговый контур срабатывает, чтобы поддерживать его [внизу], уменьшая степень отклонения. Источник: М. Хуанг и др., IEEE Journal of Solid-State Circuits, январь 2018 г., стр. 20–34.

Конечно, обе эти методики имеют свои недостатки.Во-первых, ни один из них не может сравниться по времени отклика с современными аналоговыми LDO. Кроме того, метод адаптивной выборки частоты требует двух дополнительных компараторов, а также генерирования и калибровки эталонных напряжений для спада и выброса, поэтому схема знает, когда задействовать более высокую частоту. Аналоговая петля включает в себя некоторые аналоговые компоненты, что уменьшает время разработки полностью цифровой системы.

Развитие коммерческих процессоров SoC может помочь сделать цифровые LDO более успешными, даже если они не могут полностью соответствовать аналоговым характеристикам.Сегодня коммерческие процессоры SoC интегрируют полностью цифровые адаптивные схемы, предназначенные для смягчения проблем с производительностью при возникновении провалов. Эти схемы, например, временно растягивают тактовый период ядра, чтобы предотвратить ошибки синхронизации. Такие методы смягчения могут ослабить ограничения переходного времени отклика, позволяя использовать цифровые LDO и повышая эффективность процессора. Если это произойдет, мы можем ожидать более эффективных смартфонов и других компьютеров, а процесс их разработки станет намного проще.

Команда USC показывает, как воспоминания хранятся в мозгу и потенциально влияют на такие состояния, как посттравматическое стрессовое расстройство > Новости > USC Dornsife

Светящиеся рыбы; индивидуальный микроскоп; новый способ каталогизации науки. Спустя шесть лет исследователи производят первые снимки памяти у живого животного. [Чтение 4¼ мин.]

Используя программное обеспечение, разработанное исследователями Университета Южной Калифорнии, которое создает карту синапсов мозга из трехмерного изображения, полученного с помощью микроскопа, ученые сравнивают размеры и расположение синапсов до и после обучения, чтобы идентифицировать те, которые были либо созданы, либо удалены во время обучения.Красная линия отмечает границу между областями мозга, показывающими общий выигрыш и общий убыток. (Изображение: Дон Арнольд.)

Ключевые вынос:

  • Вопреки ожиданиям, исследование на личинках рыбок данио показывает, что синапсы в одной части мозга удаляются, а новые создаются в другой области, когда формируются воспоминания.
  • Эти основные структурные изменения могут объяснить формирование памяти.
  • Результаты могут также помочь объяснить, почему неприятные ассоциативные воспоминания, например, связанные с посттравматическим стрессовым расстройством, настолько сильны.
  • Находки стали возможными благодаря новому типу маркировки клеток и изготовленному на заказ микроскопу, разработанному в USC.

Какие физические изменения происходят в мозгу при воспоминании?

Группа исследователей из Университета Южной Калифорнии впервые ответила на этот вопрос, индуцируя память у личинок данио, а затем картируя изменения в их прозрачных головах с клетками мозга, освещенными, как Таймс-сквер в канун Нового года.

После шести лет исследований они обнаружили, что обучение заставляет мозговые синапсы, связи между нейронами, увеличиваться в одних областях и исчезать в других, а не просто изменять их силу, как принято считать.Эти изменения в синапсах могут помочь объяснить, как формируются воспоминания и почему одни виды воспоминаний сильнее других.

Исследование было опубликовано в  Proceedings of the National Academy of Sciences и проводилось под руководством группы преподавателей Дорнсайфского колледжа литературы, искусств и наук Университета Южной Калифорнии и Инженерной школы Университета Южной Калифорнии в Витерби.

Новый метод и инструменты

Исследование стало возможным благодаря новому типу маркировки клеток и изготовленному на заказ микроскопу, изобретенному в USC.Исследователи также разработали передовой способ отслеживания и архивирования собранных данных, чтобы сделать свои выводы максимально доступными и воспроизводимыми.

Исследователи впервые смогли определить силу и расположение синапсов до и после обучения в мозгу живой рыбки данио, животного, обычно используемого для изучения функций мозга. Предприняв беспрецедентный шаг по сохранению жизни рыбы, они смогли сравнить синапсы в одном и том же мозге с течением времени, что стало прорывом в области нейробиологии.

Чтобы создать воспоминания для измерения, исследовательская группа разработала новые методы, чтобы побудить личинок данио к обучению. Они сделали это, обучив 12-дневную рыбу ассоциировать включение света с нагревом головы инфракрасным лазером, чего они стремились избежать, уплывая прочь. Рыбы, которые научились ассоциировать свет с приближающимся лазером, махали хвостом, показывая, что они научились. Через пять часов обучения команда смогла наблюдать и фиксировать значительные изменения в мозге этих рыбок данио.

Удивительные результаты

Основной вывод:  Вместо памяти, вызывающей изменение силы существующих синапсов, синапсы в одной части мозга были разрушены, а совершенно новые синапсы были созданы в другой области мозга.

«Последние 40 лет считалось, что вы учитесь, изменяя силу синапсов, но в данном случае мы обнаружили не это», — сказал Карл Кессельман, специалист по информатике из Университета Южной Калифорнии в Витерби.

Результаты показывают, что изменения в количестве синапсов кодируют воспоминания в эксперименте. Это также может помочь объяснить, почему негативные ассоциативные воспоминания, например те, что связаны с посттравматическим стрессовым расстройством, настолько сильны.

В дополнение к выводам, биолог USC Dornsife Дональд Арнольд возглавил группу, которая создала новые методы изменения ДНК рыбы, чтобы сила и расположение синапса были отмечены флуоресцентным белком, который светится при сканировании лазером.

«Наши зонды могут маркировать синапсы в живом мозге, не изменяя их структуру или функцию, что было невозможно с помощью предыдущих инструментов», — сказал Арнольд.

Это позволило специализированному микроскопу, разработанному в Университете Южной Калифорнии, сканировать мозг и отображать расположение синапсов, не сбивая рыбу.

«Иногда пытаешься получить настолько эффектное изображение, что убиваешь то, на что смотришь. Для этого эксперимента нам нужно было найти правильный баланс между получением изображения, которое было бы достаточно хорошим, чтобы получить ответы, но не настолько впечатляющим, чтобы мы могли убить рыбу фотонами», — сказал биоинженер Скотт Фрейзер, который работает в USC Dornsife и USC. Витерби и руководивший разработкой микроскопа.

Микроскоп позволил им наблюдать изменения у живых животных и получать изображения изменений до и после на одном и том же образце. Раньше, поскольку эксперименты проводились на умерших образцах, они могли сравнивать только два разных мозга, один в обусловленном состоянии, а другой нет.

«Это скрытая съемка; мы пробираемся незаметно, — сказал Фрейзер.

Группа под руководством Кессельмана разработала новые инновационные алгоритмы для обработки и анализа сотен изображений и экспериментов.

Исследование было также необычным, поскольку оно было направлено на то, чтобы сделать результаты максимально прозрачными и воспроизводимыми: все данные, связанные с документом, доступны для поиска и доступны на общедоступном веб-сайте Mapping the Dynamic Synaptome.

«Команда Университета Южной Калифорнии установила новую планку для доступа к данным, поскольку все данные, полученные в течение шестилетнего расследования, были собраны и систематизированы для этого исследования», — сказал Кессельман, разработавший этот новый подход.

Фрейзер добавил: «Я искренне верю, что это будущее прозрачности в исследованиях, новая эра, и USC опережает кривую.


Должности исследователей:

Дон Арнольд — профессор биологических наук и биомедицинской инженерии в USC Dornsife и USC Viterbi.

Карл Кессельман — директор отдела информатики Института информационных наук Университета Южной Калифорнии и профессор кафедры промышленной и системной инженерии имени Дэниела Дж. Эпштейна в Университете Южной Калифорнии в Витерби.

Скотт Фрейзер — профессор биологических наук и биомедицинской инженерии в USC Dornsife и USC Viterbi.

Об исследовании

Текущее исследование представляет собой последнее междисциплинарное сотрудничество в USC с исследователями из Центра конвергентных биологических наук Майкельсона USC, USC Dornsife, USC Viterbi и Медицинской школы Кека USC. Основанный в 2016 году, центр объединил под одной крышей разнообразную сеть ведущих ученых и инженеров благодаря щедрому подарку в размере 50 миллионов долларов от спинального хирурга-ортопеда, изобретателя и филантропа Гэри К.Майкельсон и его жена Аля Майкельсон.

Раннее развитие мозга у детей

Статистика | Вехи | Когда мозг перестает развиваться | Зависит от опыта | Критические периоды и пластичность | Природа против воспитания | Ранние годы

Развитие мозга

Раннее детство — время колоссального развития мозга. Молодой мозг буквально меняет форму и размер в ответ на все, с чем он сталкивался в ранние годы. Новая среда, жизненный опыт, опекуны и отношения могут влиять на то, как работают сложные мозговые цепи.Эта сеть синаптических связей в конечном итоге будет определять работу мозга и развитие поведения.

Статистика

  • Мозг младенца при рождении содержит примерно 86 миллиардов мозговых клеток (нейронов) ​1​ , почти все нейроны, которые когда-либо будут в человеческом мозгу ​2​ .
  • Хотя у новорожденного примерно такое же количество нейронов, как у взрослого, его размер составляет всего 25% от взрослого.
  • Нейроны младенцев соединены только примерно 50 триллионами нейронных соединений, называемых синапсами, тогда как в мозгу взрослого человека их около 500 триллионов ​3​ .
  • К 3 годам количество синаптических связей выросло до 1000 триллионов.
  • Объем головного мозга ребенка достигает 90% примерно к 5 годам ​4​ .
  • Во взрослом возрасте плотность синапсов будет вдвое меньше, чем у двухлетнего ребенка.

Вехи раннего развития

Вот некоторые вехи детского развития:

  • 3-я неделя после зачатия – в мозгу плода начинается образование нейронов.
  • При рождении – созревание слуховой системы ​5​ .
  • 5 недель – обучение и формирование памяти.
  • 9 месяцев – крупная моторика.
  • 1 год 3 месяца – речь.
  • 1,5 года – мелкая моторика.

Когда мозг перестает развиваться

В среднем мозг перестает развиваться примерно к 25 годам. Хотя траектория роста мозга у отдельных людей может незначительно различаться, у большинства людей здоровое развитие мозга завершается к 20 годам.

Префронтальная кора — это последняя область мозга, которая развивается.

Однако это не означает, что мозг перестает меняться.

Формирование и изменение взаимосвязей в нашем мозгу — это непрерывный процесс, который происходит на протяжении всей нашей жизни. Но с возрастом они делают это гораздо медленнее.

Мозг, зависящий от опыта

Одной из наиболее заметных характеристик развития человеческого мозга является сокращение синапсов.

Сеть синапсов быстро растет в течение первого года жизни и продолжает расти в детском возрасте.

Жизненный опыт активирует определенные нейроны, создаст новые связи между нейронами и укрепит существующие связи, что называется миелинизацией.

Неиспользуемые соединения в конечном итоге будут удалены во время синаптической обрезки ​6​ .

Обрезка синапсов — это нейронный процесс, при котором неиспользуемые нейроны и синапсы удаляются для повышения эффективности передачи нейронов. Этот процесс происходит после синаптического роста между ранним детством и половым созреванием.

Поскольку жизненный опыт может буквально формировать мозг, дети могут гибко адаптироваться к любой среде, в которой они родились ​7​ .

Но это также означает, что то, что родители делают или не делают в годы формирования, может оказать глубокое влияние на здоровое развитие ребенка — его психическое и физическое здоровье.

Критические периоды и пластичность

В раннем детстве также важны сроки развития. Существуют окна времени, когда различные области мозга становятся относительно более чувствительными к переживаниям.

Этот период развития детского мозга называется критическим периодом или чувствительным периодом .

В критический период синаптические связи в определенных областях мозга более пластичны и податливы. Связи формируются или укрепляются с учетом соответствующего детского опыта. После прохождения критического периода синапсы становятся стабилизированными и менее пластичными.

Например, маленьким детям изучение языка намного проще. Они могут выучить неродной язык и легче овладеть им до полового созревания.Таким образом, чувствительный период для развития речи — от рождения до полового созревания.

См. также: Преимущества сенсорной игры для развития мозга

Природа против воспитания в развитии ребенка

Помимо влияния на развитие архитектуры мозга, ранний жизненный опыт оказывает еще одно существенное влияние на развитие ребенка.

Большое количество научных данных указывает на то, что жизненный опыт может влиять на экспрессию генов — то, как информация в гене используется (эпигенетика) — в некоторых случаях за счет замедления или отключения генов, а в других — за счет увеличения их продукции ​8​ .

Вот почему однояйцевые близнецы не являются точной копией друг друга.

Хотя их гены (код ДНК) идентичны, их эпигенетические маркеры различны с рождения и продолжают различаться по мере того, как они по-разному взаимодействуют с окружающей средой.

Что еще более важно, эти эпигенетические изменения могут быть постоянными и передаваться из поколения в поколение.

В вековом споре о природе и воспитании эпигенетика предлагает удивительную золотую середину.

Гены чрезвычайно важны, но не менее важны и факторы окружающей среды.

См. также: Определенная неспособность к обучению

Ранние годы имеют значение

Детство — время огромной чувствительности, время, когда опыт дает долговременные результаты ​9​ .

Качественный повседневный опыт очень важен в первые годы.

Результаты развития могут быть серьезно затронуты, если дети лишены базовой социальной и эмоциональной поддержки в этом процессе развития.

Это подтверждают различные исследования.

Например, исследования показывают, что различия в социально-экономическом статусе (СЭС) могут привести к различиям в структуре мозга. Крайняя бедность связана с меньшим объемом серого вещества и академической успеваемостью ​10​ .

См. также: Асинхронное развитие одаренного ребенка и его уникальные потребности

Заключительные мысли о развитии мозга

Нейропластичность и эпигенез — два основных краеугольных камня в понимании развития нервной системы и мозга ребенка в первые годы жизни.

Хотя нам и не нужно быть идеальными родителями (а кто может ими быть?), достаточно хорошее воспитание может принести ребенку огромную пользу.

В частности, среди различных стилей воспитания авторитарное воспитание является лучшим стилем воспитания, связанным с наилучшим результатом. С другой стороны, неблагоприятный детский опыт (ACE) может привести к токсическому стрессу и разрушительным последствиям.

Дошкольное образование также важно для когнитивных функций и роста ребенка.Поиск хороших воспитателей и выбор качественного дошкольного учреждения для вашего ребенка также могут способствовать его развитию в долгосрочной перспективе.


Каталожные номера

  1. 1.

    Azevedo FAC, Carvalho LRB, Grinberg LT, et al. Равное количество нейрональных и ненейрональных клеток делает человеческий мозг похожим на изометрически увеличенный мозг приматов. J Комп Нейрол . Опубликовано в Интернете 10 апреля 2009 г .: 532–541. doi: 10.1002/cne.21974
  2. 3.

    Говен М., Коул М. Чтения о развитии детей . 5-е изд. Стоит Издатели; 2008.

  3. 4.

    Лебель С., Уокер Л., Лиманс А., Филлипс Л., Болье С. Микроструктурное созревание человеческого мозга от детства до взрослой жизни. НейроИзображение . Опубликовано в Интернете в апреле 2008 г .: 1044–1055. doi:10.1016/j.neuroimage.2007.12.053
  4. 5.

    McMahon E, Wintermark P, Lahav A. Слуховое развитие мозга у недоношенных детей: важность раннего опыта. Анналы Нью-Йоркской академии наук . Опубликовано в Интернете в апреле 2012 г.: 17-24. doi:10.1111/j.1749-6632.2012.06445.x
  5. 6.

    Тау Г.З., Петерсон Б.С. Нормальное развитие мозговых цепей. Нейропсихофармакол . Опубликовано в Интернете 30 сентября 2009 г .: 147–168. doi: 10.1038/npp.2009.115
  6. 8.

    Стайлз Дж., Джерниган Т.Л. Основы развития мозга. Нейропсихология Ред. . Опубликовано в Интернете 3 ноября 2010 г .: 327–348.дои: 10.1007/s11065-010-9148-4
  7. 9.

    Балберни Р. Схемы и обстоятельства: нейробиологические последствия раннего опыта отношений и то, как они формируют более позднее поведение. Журнал детской психотерапии . Опубликовано в Интернете в январе 2001 г .: 237–255. дои: 10.1080/00754170110087531
  8. 10.

    Hair NL, Hanson JL, Wolfe BL, Pollak SD. Ассоциация детской бедности, развития мозга и успеваемости. JAMA Pediatr .Опубликовано в Интернете 1 сентября 2015 г.: 822. doi:10.1001/jamapediatrics.2015.1475

Исследование показывает, что мозг с аутизмом не в состоянии урезать синапсы по мере их развития

По мере развития мозга ребенка происходит взрыв синапсов, соединений, которые позволяют нейронам отправлять и получать сигналы. Но в детстве и подростковом возрасте мозг должен начать сокращать эти синапсы, ограничивая их количество, чтобы разные области мозга могли развивать определенные функции и не были перегружены стимулами.

Новое исследование предполагает, что у детей с аутизмом что-то в процессе идет не так, что приводит к избытку синапсов, по крайней мере, в некоторых частях мозга.

Открытие дает ключ к пониманию того, как аутизм развивается с детства, и может помочь объяснить некоторые симптомы, такие как повышенная чувствительность к шуму или социальному опыту, а также почему у многих людей с аутизмом также бывают эпилептические припадки.

Это также может помочь ученым в поиске методов лечения, если они смогут разработать безопасные методы лечения для исправления системы, которую мозг использует для очистки дополнительных синапсов.

Исследование, опубликованное в четверг в журнале Neuron, включало ткани мозга детей и подростков, умерших в возрасте от 2 до 20 лет. Около половины из них страдали аутизмом; другие этого не сделали.

Исследователи из Медицинского центра Колумбийского университета внимательно изучили область височной доли мозга, отвечающую за социальное поведение и общение. Анализируя ткань 20 мозговых структур, они подсчитали шипы — крошечные отростки нейронов, которые получают сигналы через синапсы — и обнаружили больше шипов у детей с аутизмом.

Ученые обнаружили, что в более молодом возрасте количество шипиков не сильно отличалось между двумя группами детей, но у подростков с аутизмом их было значительно больше, чем у людей без аутизма. У типичных 19-летних синапсов на 41 % меньше, чем у детей ясельного возраста, но у аутистов позднего подросткового возраста их всего на 16 % меньше, чем у маленьких детей с аутизмом.

Один ребенок с аутизмом, которому было 3 года, когда он умер, имел больше синапсов, чем любой из обычных детей любого возраста, сказал Дэвид Салцер, нейробиолог и старший исследователь исследования.

Эксперты заявили, что тот факт, что у маленьких детей в обеих группах было примерно одинаковое количество синапсов, свидетельствует о проблеме клиринга при аутизме, а не о проблеме перепроизводства.

«Больше не значит лучше, когда дело доходит до синапсов, и обрезка абсолютно необходима», — сказала Лиза Буланже, молекулярный биолог из Принстона, не участвовавшая в исследовании. «Если бы это был чрезмерный рост, вы бы ожидали, что они будут отличаться с самого начала, но поскольку разница в синапсах проявляется так поздно, это, вероятно, сокращение.

Команда доктора Зульцера также обнаружила биомаркеры и белки в мозге при аутизме, которые отражали сбои в системе очистки от старых и деградировавших клеток, процесс, называемый аутофагией.

«Они показали, что эти маркеры аутофагии уменьшаются» в мозге больных аутизмом, — сказал Эрик Кланн, профессор нейробиологии в Нью-Йоркском университете. «Без аутофагии эта обрезка невозможна».

Исследователи обнаружили больше шипов у детей с аутизмом. Шипы разветвляются от одного нейрона и получают сигналы от других нейронов через соединения, называемые синапсами, поэтому чем больше шипов, тем больше синапсов.Кредит… Guomei Tang, PhD и Mark S. Sonders, PhD/Медицинский центр Колумбийского университета

Полученные результаты являются последними в области исследований аутизма, которые вызывают растущий интерес. В течение многих лет ученые спорили о том, является ли аутизм проблемой мозга со слишком малой или слишком большой связностью мозга или их комбинацией.

Ральф-Аксель Мюллер, нейробиолог из Университета штата Сан-Диего, сказал, что появляется все больше свидетельств гиперконнективности, в том числе из исследований мозга, которые он проводил.

«Нарушения, которые мы наблюдаем при аутизме, по-видимому, частично связаны с тем, что разные части мозга слишком много говорят друг с другом», — сказал он. «Вам нужно потерять связи, чтобы развить точно настроенную систему мозговых сетей, потому что, если все части мозга общаются со всеми частями мозга, все, что вы получите, это шум».

Большее количество синапсов также создает возможность для эпилептических припадков, потому что в мозг передается больше электрических сигналов, сказал доктор Кланн. Более трети людей с аутизмом страдают эпилепсией.

В дополнение к анализу человеческого мозга команда Колумбийского университета изучала мышей, которых они запрограммировали на развитие комплекса туберозного склероза, редкого генетического заболевания, которое часто сопровождается аутизмом. У мышей развилось некоторое социальное поведение, напоминающее аутизм у людей.

У мышей ключевой белок, называемый mTOR, был гиперактивен, что нарушало способность мозга очищать ненужные синапсы. Дав мышам препарат рапамицин, ученые смогли снизить активность mTOR, исправить процесс обрезки синапсов и устранить аномальное социальное поведение.

«Они могли лечить рапамицином и восстанавливать поведение и обрезку», — сказала Кимберли Хубер, нейробиолог из Техасского юго-западного университета. «Это очень захватывающая статья. Это предполагает, что этот дефицит обрезки может способствовать такому поведению, связанному с аутизмом».

Когда они провели эксперимент на мышах с нарушенной способностью обрезки, которую нельзя было восстановить с помощью препарата, поведение не улучшилось. Это, по словам доктора Зульцера, является дополнительным доказательством того, что проблемы с обрезкой связаны с симптомами аутизма.

Доктор Зульцер также сказал, что, хотя у мышей было специфическое и редкое заболевание, многие из сотен генов, которые так или иначе связаны с риском аутизма, на каком-то этапе были связаны с белком mTOR.

Эксперты и авторы предупредили, что еще слишком рано говорить о том, можно ли успешно применять такой препарат, как рапамицин, иммунодепрессант с потенциально серьезными побочными эффектами, у людей с аутизмом. Это состояние можно приблизительно описать только у мышей, поэтому результаты исследования могут быть неприменимы к людям.А у исследованных мышей было редкое генетическое заболевание, на долю которого приходится часть расстройств аутизма.

Написать ответ

Ваш адрес email не будет опубликован.