Российские ученые представили новую компьютерную программу, способную описывать и анализировать форму отростков, которые формируют связи между клетками мозга. Эти отростки, известные как дендритные шипики, играют важную роль в процессе формирования памяти и обучения. С помощью разработанного ПО ученым станет возможным более глубоко понять эти процессы и наблюдать изменения, происходящие в нейронах при развитии нейродегенеративных заболеваний. Это открытый и бесплатно доступный инструмент, который сможет помочь ученым со всего мира. Новая программа позволит выявить различия в мозге у пациентов с психическими расстройствами и разработать эффективные методы стимуляции мозга.
Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработали программу под названием SpineTool, которая автоматически анализирует изображения и определяет форму дендритных шипиков - отростков в клетках мозга, ответственных за нейронные связи. Эти шипики играют важную роль в запоминании новой информации и приобретении навыков в процессе обучения. При нейродегенеративных заболеваниях форма этих шипиков может изменяться. Понимание этих изменений является ключевым для разработки лекарств от деменции. Статья, описывающая новые возможности ПО, была опубликована в научном журнале Scientific Reports, входящем в группу журналов Nature.
Ученые изучают нейроны мозга мышей, которых выращивают в специальных условиях в инкубаторе. Эти нейроны имеют схожую структуру с нейронами человеческого мозга. Используя программу SpineTool, специалисты могут наблюдать, как эти структуры развиваются и формируют новые отростки и связи. Для проведения исследований нейроны модифицируют так, чтобы они вырабатывали зеленый флуоресцентный белок, что позволяет получать изображения высокого качества.
Программа анализирует изображения шаг за шагом и создает трехмерную модель дендритных шипиков, отражающую их форму. Формы шипиков могут быть очень разнообразными, и нет двух одинаковых структур. Ранее шипики описывались числовыми значениями их длины, ширины и объема, но это представление было слишком абстрактным. Ученые предложили использовать гистограмму, построенную на основе отрезков шипиков, чтобы более наглядно представить их структуру.
Дендритные шипики делятся на грибовидные, тонкие и пеньковые. Грибовидные шипики считаются самыми стабильными и связаны с длительной памятью. Тонкие шипики, напротив, постоянно возникают и исчезают, играя важную роль в процессе обучения. Пока функция пеньковых шипиков остается загадкой для ученых, существует гипотеза о том, что они со временем превращаются в грибовидные шипики.
Интересно, что компьютерная программа SpineTool классифицирует шипики с такой же точностью, как и человек. Однако при анализе имеющихся данных самостоятельно, программа выделяет пять типов шипиков, а не три, как ранее предполагалось.
SpineTool - инструмент для изучения мозга и развития пластичности нейронов
Новое ПО SpineTool позволит ученым обрабатывать больше данных и получать более детальную информацию о дендритных шипиках. Толщина шипика влияет на передачу сигнала между нервными клетками. Это важно для настройки нейронных сетей в процессе обучения и формирования памяти. Чтобы полностью понять этот процесс, необходимо изучить множество шипиков, которых в мозге человека буквально миллиарды. Использование программы позволяет анализировать большой объем информации в короткие сроки и наблюдать за изменениями. Например, при исследовании мозга умершего человека можно увидеть, что происходит при различных заболеваниях.
Морфология и активность дендритных шипиков играют значительную роль в нейрофизиологии обучения и памяти человека. Рост новых шипиков или изменение существующих может влиять на долговременную память. Многие нейродегенеративные заболевания сопровождаются изменением дендритной длины и формы, а также уменьшением их количества. Физические упражнения, когнитивная стимуляция и изменения в поведении могут способствовать сохранению пластичности нейронов и улучшению неврологических симптомов. Программа SpineTool может сыграть важную роль в верификации этих исследований и выборе наиболее эффективных методов для улучшения нейронной пластичности.
Открытый исходный код программы SpineTool способствует развитию исследований в различных областях, где изменения в дендритных шипиках имеют важное значение для понимания природы заболеваний и их лечения, от болезни Альцгеймера до химических зависимостей. Это открытый и бесплатно доступный инструмент, который может помочь ученым по всему миру.
Источник: Известия