Ученые СПбПУ создали компьютерную программу, которая анализирует изображения и определяют форму отростков в клетках мозга, формирующих нейронные связи. Они отвечают за работу памяти и обучение. ПО показывает отличия в мозге пациентов с расстройствами психики и поможет в разработке методов его стимуляции, пишут «Известия».
Новая программа, по мнению ее создателей, позволит лучше понять процессы формирования нейронных связей и увидеть изменения, который происходят при прогрессирующем разрушении структуры или функции нейронов. ПО SpineTool доступно бесплатно исследователям со всего мира.
Возможности программы
Данная программа проводит автоматический анализ изображений для определения формы дендритных шипиков — отростков в клетках мозга, которые участвуют в формировании нейронных связей. Эти образования играют важную роль в запоминании новой информации и навыков в процессе обучения. В случае нейродегенеративных заболеваний они подвергаются морфологическим изменениям. Понимание того, как эти изменения происходят под воздействием различных процессов, является важным, например, для разработки лекарств от деменции. Статья о возможностях данного программного обеспечения опубликована в научном издании Scientific Reports.
О принципах передачи сигналов нейронов
Как пояснила Екатерина Пчицкая, научный сотрудник Лаборатории молекулярной нейродегенерации Института биомедицинских систем и биотехнологий СПбПУ, нейроны формируют между собой контакты, называемые синапсами. Один из отростков синапса (аксон) посылает сигнал, а с другой отросток синапса (дендрит) его принимает. При создании связи у аксона образуется аксональный бутон, а у дендрита появляется дендритный шипик. «Форма дендритных шипиков меняется при болезнях Альцгеймера, Паркинсона, Дауна и даже при приеме психостимуляторов. Речь идет о развитии любых неблагоприятных процессов в мозге. Это происходит очень быстро, и наш софт позволяет количественно оценить эти изменения», — уточнила ученая.
Для изучения процессов исследователи используют нейроны мозга мышей, выращенные в стерильных инкубаторах. Нейроны мышей близки по строению к человеческим. Специалисты наблюдают, как развиваются структуры, как формируются новые отростки и синапсы. Во время исследования их модифицируют для выработки зеленого флуоресцентного белка, что дает высокое качество изображения.
Загадки шипиков
ПО послойно анализирует изображения и выстраивает трехмерную модель шипиков. Форма шипиков очень разнообразна, двух полностью совпадающих по строению отростков не существует. Раньше описывали их длину, ширину и объем, но это не позволяло представить их реальное строение. Российские ученые впервые стали выделять в изображении шипика отрезки и строить с их помощью гистограмму — столбчатую диаграмму.
«Исследователи мозга делят дендритные шипики на три типа: грибовидные, тонкие и пеньковые. Считается, что грибовидные самые стабильные. Они существуют до нескольких месяцев и отвечают за длительную память. Тонкие, напротив, постоянно появляются и исчезают. Они отвечают за процесс обучения. Функция пеньковых пока остается для ученых загадкой. Существует гипотеза, что такую форму со временем приобретают грибовидные отростки, — рассказала Екатерина Пчицкая.
Программа превзошла человека
Созданная программа очень точно классифицировала шипики. А когда ученые дали ей задание проанализировать собранный массив сведений, она выделила пять типов шипиков, а не три, как это делали люди.
Также новая программа позволяет быстро обрабатывать большой массив данных. Ученые объясняют, что чем толще шипик, тем лучше передается сигнал между нервными клетками. Это, в свою очередь, влияет на настройку нейронных сетей мозга при обучении или формирования памяти. Для понимания этого необходимо провести исследование и изучить как можно больше шипиков, считает профессор Центра нейробиологии и нейрореабилитации Сколковского института науки и технологий, Филипп Хайтович. А их число огромно. Подобные инструменты, как новое ПО, позволяют анализировать большое количество информации в кратчайшие сроки и наблюдать за изменениями. Филипп Хайтович утверждает, что при помощи этой программы можно изучать, что происходит при различных заболеваниях, исследуя мозг умершего человека.
О методах тренировки мозга
Исследования показали, что шипики могут оказывать важное влияние на процессы обучения и памяти у человека. Долгосрочная память, в частности, может быть связана с ростом новых шипиков или увеличением уже существующих. Ольга Валаева, руководитель НПЦ «Виртуальная клиника» Московского института психоанализа, пояснила, что некоторые нейродегенеративные заболевания центральной нервной системы сопровождаются уменьшением длины шипиков, их разветвлений и количества. Она также сказала, что результаты исследований указывают на полезность таких методов терапии, как физические упражнения, когнитивная стимуляция и изменения поведения, для поддержания пластичности нейронов и улучшения неврологических симптомов. Ольга Валаева отметила, что инструменты, такие как SpineTool, могут сыграть важную роль в подтверждении этих исследований и выборе наиболее перспективных методов для улучшения нейронной пластичности.
В январе этого года «ФармМедПром» писал про новое отечественное лекарство, разработанное в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого. Его цель — предотвратить потерю связей между нейронами, которая является характерной чертой Альцгеймера, и тем самым помочь мозгу сохранить память и замедлить развитие болезни.
