Tin tức Vũ trụ TV

Các nhà khoa học khám phá các quy tắc toán học làm nền tảng cho sự phát triển của não

Ngày:
Th3 14, 2020
Tóm lược:

Cuộc sống đầy rẫy những khuôn mẫu. Điều phổ biến đối với các sinh vật sống là tạo ra một loạt các tính năng tương tự khi chúng lớn lên: nghĩ về những chiếc lông vũ có chiều dài thay đổi một chút trên cánh chim hoặc cánh hoa ngắn hơn và dài hơn trên một bông hồng.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Cuộc sống đầy rẫy những khuôn mẫu. Điều phổ biến đối với các sinh vật sống là tạo ra một loạt các tính năng tương tự khi chúng lớn lên: nghĩ về những chiếc lông vũ có chiều dài thay đổi một chút trên cánh chim hoặc cánh hoa ngắn hơn và dài hơn trên một bông hồng.

Hóa ra não cũng không khác. Bằng cách sử dụng kính hiển vi và mô hình toán học tiên tiến, các nhà nghiên cứu của Stanford đã phát hiện ra một mô hình chi phối sự phát triển của tế bào não hoặc tế bào thần kinh. Các quy tắc tương tự có thể hướng dẫn sự phát triển của các tế bào khác trong cơ thể và hiểu chúng có thể rất quan trọng để sinh học thành công các mô và cơ quan nhân tạo.

Nghiên cứu của họ được công bố trên tạp chí Vật lý Tự nhiên dựa trên thực tế rằng bộ não chứa nhiều loại tế bào thần kinh khác nhau và phải mất một số loại hoạt động trong buổi hòa nhạc để thực hiện bất kỳ nhiệm vụ nào. Các nhà nghiên cứu muốn khám phá các mô hình tăng trưởng vô hình cho phép các loại tế bào thần kinh phù hợp tự sắp xếp chúng vào đúng vị trí để xây dựng bộ não.

Các nhà nghiên cứu của Stanford đã sử dụng kính hiển vi và mô hình toán học tiên tiến để khám phá một mô hình chi phối sự phát triển của các tế bào thần kinh trong não giun dẹp, được trình bày ở đây. Sử dụng kỹ thuật này, họ hy vọng sẽ tìm thấy các mô hình hướng dẫn sự phát triển của các tế bào ở các bộ phận khác của cơ thể để mở đường cho các mô và cơ quan nhân tạo sinh học. (Ảnh tín dụng: Được sự cho phép của Wang Lab)
Các nhà nghiên cứu của Stanford đã sử dụng kính hiển vi và mô hình toán học tiên tiến để khám phá một mô hình chi phối sự phát triển của các tế bào thần kinh trong não giun dẹp, được trình bày ở đây. Sử dụng kỹ thuật này, họ hy vọng sẽ tìm thấy các mô hình hướng dẫn sự phát triển của các tế bào ở các bộ phận khác của cơ thể để mở đường cho các mô và cơ quan nhân tạo sinh học. (Ảnh tín dụng: Được sự cho phép của Wang Lab)

“Làm thế nào để các tế bào có chức năng bổ sung tự sắp xếp để xây dựng một mô hoạt động?” đồng tác giả nghiên cứu Bo Wang, một giáo sư trợ lý của Bioengineering. “Chúng tôi đã chọn trả lời câu hỏi đó bằng cách nghiên cứu một bộ não bởi vì người ta thường cho rằng bộ não quá phức tạp để có một quy tắc tạo mẫu đơn giản. Chúng tôi đã ngạc nhiên khi phát hiện ra, trên thực tế, đó là một quy tắc như vậy.”

Bộ não họ chọn để kiểm tra thuộc về một hành tinh, một con giun dẹp dài hàng milimet có thể mọc lại một cái đầu mới mỗi lần sau khi cắt cụt chi. Đầu tiên, Wang và Margarita Khariton, một sinh viên tốt nghiệp trong phòng thí nghiệm của mình đã sử dụng các vết huỳnh quang để đánh dấu các loại tế bào thần kinh khác nhau trong giun dẹp. Sau đó, họ đã sử dụng kính hiển vi có độ phân giải cao để ghi lại hình ảnh của toàn bộ não – các nơ-ron phát sáng và tất cả – và phân tích các mẫu để xem liệu chúng có thể trích xuất từ ​​chúng các quy tắc toán học hướng dẫn việc xây dựng của chúng hay không.

Những gì họ tìm thấy là mỗi nơ-ron được bao quanh bởi khoảng một chục hàng xóm tương tự như chính nó nhưng xen kẽ giữa chúng là các loại nơ-ron khác. Sự sắp xếp độc đáo này có nghĩa là không có nơ-ron đơn lẻ nào chống lại sinh đôi của nó trong khi vẫn cho phép các loại nơ-ron bổ sung khác nhau đủ gần để cùng nhau hoàn thành nhiệm vụ.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng mô hình này lặp đi lặp lại nhiều lần trên toàn bộ não giun dẹp để tạo thành một mạng lưới thần kinh liên tục. Đồng tác giả nghiên cứu Jian Qin, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học, và học giả sau tiến sĩ Xian Kong đã phát triển một mô hình tính toán để chỉ ra rằng mạng lưới các khu phố chức năng phức tạp này bắt nguồn từ xu hướng của các nơ-ron gần nhau nhất có thể mà không quá gần tế bào thần kinh khác cùng loại.

Trong khi các nhà khoa học thần kinh một ngày nào đó có thể điều chỉnh phương pháp này để nghiên cứu sự tạo thành nơ ron thần kinh trong não người, các nhà nghiên cứu của Stanford tin rằng kỹ thuật này có thể được áp dụng hữu ích hơn cho lĩnh vực kỹ thuật mô mới nổi.

Ý tưởng cơ bản rất đơn giản: các kỹ sư mô hy vọng tạo ra các tế bào gốc, các tế bào đa năng, mạnh mẽ mà tất cả các loại tế bào bắt nguồn, phát triển thành các tế bào chuyên biệt khác nhau hình thành gan, thận hoặc tim. Nhưng các nhà khoa học sẽ cần sắp xếp những tế bào đa dạng đó thành những mô hình phù hợp nếu họ muốn trái tim đập.

Câu hỏi làm thế nào các sinh vật phát triển thành các hình thức thực hiện các chức năng hữu ích đã mê hoặc các nhà khoa học trong nhiều thế kỷ. Trong thời đại công nghệ của chúng ta, chúng ta không giới hạn trong việc tìm hiểu các mô hình tăng trưởng này ở cấp độ tế bào mà còn có thể tìm cách thực hiện các quy tắc này cho các ứng dụng sinh học.


Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Trường Kỹ thuật Stanford . Bản gốc được viết bởi Tom Abate. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.


Tạp chí tham khảo :

  1. Margarita Khariton, Tây An Kong, Jian Qin, Bo Wang. Kẹt thần kinh Chromatic trong một bộ não nguyên thủy . Vật lý thiên nhiên , 2020; DOI: 10.1038 / s41567-020-0809-9

Bài viết liên quan

Bài viết khác