Как это возможно, что в мозгу возникает так много разных и очень специфических типов нейронов?? Математическая модель, разработанная исследователями из Biozentrum Базельского университета, демонстрирует, что разные варианты генов обеспечивают такое случайное разнообразие. Ученые описывают в Cell Reports, что, несмотря на бесчисленное количество новообразованных нейронов, генетические варианты оснащают нейроны индивидуально и точно для их конкретной функции.
Мозг – самый сложный орган, состоящий примерно из 100 миллиардов нейронов. Для безошибочной передачи информации и правильного функционирования отдельные ячейки должны быть запрограммированы на соединение с правильным партнером по взаимодействию. Гены определяют функцию нейронов. Однако одних примерно 30 000 генов недостаточно для создания необходимого разнообразия отдельных нейронов.
Команда Аттилы Беккей из Биоцентра Базельского университета исследовала эмбриональные стволовые клетки в процессе их созревания до нейронов и разработала математическую модель их развития. Он демонстрирует, как наблюдаемое нейрональное разнообразие и точность достигается с помощью вариантов генов, так называемых изоформ.
Варианты генов обеспечивают индивидуальность
Различные варианты отдельных генов позволяют развивать большое разнообразие отдельных нейронов. "Только комбинация изоформ делает возможным создание столь разнообразных популяций нейронов довольно ограниченным числом генов. Комбинации изоформ выбираются случайным образом. Однако этот случайный процесс может привести к большим колебаниям количества экспрессируемых изоформ в отдельных клетках," говорит Бечкей. Однако важно иметь такое же или подобное количество экспрессируемых генов, чтобы нейроны специфически взаимодействовали с другими нейронами.
Разработка отдельных нейронов – это разновидность массового производства со случайным высвобождением. Миллионы нейронов формируются как на конвейере. Но как добиться точности в этом процессе?? Результат удивил исследователей: "Наша математическая модель демонстрирует, что комбинаторное разнообразие и точность не являются взаимно противоположными явлениями, а скорее работают вместе, рука об руку," объясняет Бечкей. Вопреки предыдущим ожиданиям, количество различных изоформ в клетке и исключительная точность увеличиваются одновременно во время созревания нейронов. Вкратце: чем больше вариантов изоформ, тем более эксклюзивными и равномерно они распределены в отдельных нейронах.
Поскольку каждый ген экспрессируется по-разному и не все имеют разные изоформы, полученные данные нельзя применить ко всем генам. В будущем исследовательская группа Becskei планирует изучить больше генов и изучить стратегии, обеспечивающие индивидуальность нейронов. Какая функция связана с уникальностью каждого нейрона – другой вопрос, который нужно решить.