Press "Enter" to skip to content

Wissenschaftler aus Stanford entdeckten das unsichtbare Muster, dem wachsende Neuronen folgen, um ein Gehirn zu bilden

Muster des planarischen Gehirns

Stanford-Forscher verwendeten fortgeschrittene Mikroskopie und mathematische Modellierung, um ein Muster zu entdecken, das das Wachstum von Neuronen im Plattwurmgehirn steuert (siehe Abbildung). Mit dieser Technik hoffen sie, Muster zu finden, die das Wachstum von Zellen in anderen Körperteilen steuern, um den Weg für künstliche Gewebe und Organe von Bioingenieuren zu ebnen. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Wang Lab

Stanford-Wissenschaftler entdecken die mathematischen Regeln, die dem Gehirnwachstum zugrunde liegen

Mithilfe von Mikroskopie und Mathematik haben Forscher das unsichtbare Muster entdeckt, dem wachsende Neuronen folgen, um ein Gehirn zu bilden. Die Technik könnte es Bioingenieuren eines Tages ermöglichen, Stammzellen dazu zu bringen, zu Ersatzkörperteilen zu wachsen.

Das Leben ist voller Muster. Es ist üblich, dass Lebewesen beim Wachsen eine sich wiederholende Reihe ähnlicher Merkmale erzeugen: Denken Sie an Federn, deren Länge auf dem Flügel eines Vogels leicht variiert, oder an kürzere und längere Blütenblätter auf einer Rose.

Es stellt sich heraus, dass das Gehirn nicht anders ist. Mithilfe fortschrittlicher Mikroskopie und mathematischer Modellierung haben Stanford-Forscher ein Muster entdeckt, das das Wachstum von Gehirnzellen oder Neuronen steuert. Ähnliche Regeln könnten die Entwicklung anderer Zellen im Körper leiten, und ihr Verständnis könnte wichtig sein, um künstliche Gewebe und Organe erfolgreich biotechnisch zu entwickeln.

Ihre Studie, veröffentlicht in Naturphysik am 9. März 2020 baut auf der Tatsache auf, dass das Gehirn viele verschiedene Arten von Neuronen enthält und dass mehrere Arten zusammenarbeiten müssen, um irgendwelche Aufgaben auszuführen. Die Forscher wollten die unsichtbaren Wachstumsmuster aufdecken, die es den richtigen Arten von Neuronen ermöglichen, sich in die richtigen Positionen zu bringen, um ein Gehirn aufzubauen.

“Wie ordnen sich Zellen mit komplementären Funktionen an, um ein funktionierendes Gewebe aufzubauen?” sagte der Co-Autor der Studie, Bo Wang, ein Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen. „Wir haben uns entschieden, diese Frage durch Untersuchung eines Gehirns zu beantworten, da allgemein angenommen wurde, dass das Gehirn zu komplex ist, um eine einfache Musterungsregel zu haben. Wir haben uns selbst überrascht, als wir herausfanden, dass es tatsächlich eine solche Regel gibt. “

Das Gehirn, das sie untersuchten, gehörte einem Planar, einem millimeterlangen Plattwurm, der jedes Mal nach der Amputation einen neuen Kopf nachwachsen lassen kann. Zunächst verwendeten Wang und Margarita Khariton, eine Doktorandin in seinem Labor, fluoreszierende Flecken, um verschiedene Arten von Neuronen im Plattwurm zu markieren. Anschließend verwendeten sie hochauflösende Mikroskope, um Bilder des gesamten Gehirns aufzunehmen – leuchtende Neuronen und alle – und analysierten die Muster, um festzustellen, ob sie die mathematischen Regeln für ihre Konstruktion daraus extrahieren konnten.

Was sie fanden, war, dass jedes Neuron von ungefähr einem Dutzend Nachbarn umgeben ist, die sich selbst ähnlich sind, aber dass zwischen ihnen andere Arten von Neuronen verstreut sind. Diese einzigartige Anordnung bedeutet, dass kein einzelnes Neuron bündig mit seinem Zwilling sitzt und gleichzeitig verschiedene Arten von komplementären Neuronen nahe genug sind, um zusammenzuarbeiten, um Aufgaben zu erledigen.

Die Forscher fanden heraus, dass sich dieses Muster im gesamten Plattwurmgehirn immer wieder wiederholt, um ein kontinuierliches neuronales Netzwerk zu bilden. Die Co-Autoren der Studie, Jian Qin, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen, und Postdoktorand Xian Kong, entwickelten ein Rechenmodell, um zu zeigen, dass dieses komplexe Netzwerk funktionaler Nachbarschaften auf der Tendenz der Neuronen beruht, sich so eng wie möglich zusammenzuschließen, ohne zu nahe zu sein andere Neuronen des gleichen Typs.

Während Neurowissenschaftler diese Methodik eines Tages anpassen könnten, um die neuronale Strukturierung im menschlichen Gehirn zu untersuchen, glauben die Stanford-Forscher, dass die Technik nützlicher auf das aufstrebende Gebiet des Tissue Engineering angewendet werden könnte.

Die Grundidee ist einfach: Tissue-Ingenieure hoffen, Stammzellen, die leistungsstarken Allzweckzellen, aus denen alle Zelltypen stammen, dazu zu bringen, in die verschiedenen spezialisierten Zellen hineinzuwachsen, die eine Leber, Niere oder ein Herz bilden. Aber Wissenschaftler müssen diese verschiedenen Zellen in die richtigen Muster einordnen, wenn das Herz schlagen soll.

“Die Frage, wie Organismen zu Formen wachsen, die nützliche Funktionen erfüllen, fasziniert Wissenschaftler seit Jahrhunderten”, sagte Wang. “In unserer technologischen Ära beschränken wir uns nicht nur darauf, diese Wachstumsmuster auf zellulärer Ebene zu verstehen, sondern können auch Wege finden, diese Regeln für Bioengineering-Anwendungen umzusetzen.”

Referenz: „Chromatische neuronale Störung in einem primitiven Gehirn“ von Margarita Khariton, Xian Kong, Jian Qin und Bo Wang, 9. März 2020, Naturphysik.
DOI: 10.1038 / s41567-020-0809-9