通过单元划分进行网络组装

苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一个模型，解释了大脑中的神经细胞在发育过程中是如何连接的。他们的模型显示，关键因素是渐进的细胞分裂。这个过程自然导致分子地址的形成，让神经元导航。

人类大脑是迄今为止自然界有史以来最复杂的器官：100亿个神经细胞，每个神经细胞通过几个接触点与其他细胞相连，确保我们的技能组合包括非凡的脑力能力。但是，这个特殊的器官是如何从最初的非结构化胚胎细胞簇中形成的，目前尚不清楚。

没有明确的蓝图

在过去的几年里，大量的研究资金被投入到精确调查完全形成的大脑的结构上。科学界希望全面绘制神经元及其连接图谱 - 统称为连接组 - 将更好地了解大脑的工作原理。

然而，大脑如何从有限的遗传信息形成这一补充的基本问题仍未得到解答。基因必须包含比实际多十亿倍的信息来描述连接体。那么，人类和动物为什么生来就有一个复杂的、基本上是预先构建的大脑，使它们几乎一出生就能够迅速地取得学习进展呢?

连接说明

这个谜题的答案非常简单，苏黎世联邦理工学院和苏黎世大学神经信息学研究所的博士生Stan Kerstjens和他的两位顾问系统神经科学教授Richard Hahnloser和神经信息学名誉教授Rodney Douglas说。

“很明显，连接大脑的指令必须是基因编码的 - 否则，人们的大脑不会都发展出类似的结构，”Kerstjens强调说。“然而，它不是对详细的连接体进行编码，而是一种单一的紧凑搜索方法。然后，轴突(与其他细胞建立联系的长纤维)可以使用这种方法。然后，该网络由轴突构建，寻找与自己神经元的遗传亲属有关的细胞”。

空间和遗传结构

这种新机制在最近发表在PLOS Computational Biology杂志上的一篇论文中进行了描述。研究人员开发了一个模型，使他们能够模拟小鼠在胚胎和成年阶段大脑的发育。从人类的角度来看，这对应于六岁儿童的成熟阶段。

“从本质上讲，这是一种组织的生长模型，”Kerstjens解释说。模型从单个单元格开始。随着新神经元的出现，每个细胞分裂都会导致基因表达的结构化变化。这种机制确保每个子细胞与其亲本具有相似但不相同的基因表达，并且具有相似基因表达的细胞彼此靠近分组。细胞的发育强制组织使它们在地图上像点一样被标记，大脑的生物学可用于轴突导航。

细胞的系统序列

在胚胎发育过程中，这一过程在不同的大脑区域中建立了遗传标记的层次结构，每个区域都以其共同祖先的遗传模式为特征。导航这个类似地图的层次结构所描述的空间涉及遵循随着每一代新细胞而发展的遗传图谱的系统序列。

在这里，研究人员分析了西雅图艾伦脑科学研究所发表的小鼠大脑基因表达数据。“我们将实验室数据与我们的模拟进行了比较，发现它们在很大程度上是匹配的。因此，我们看到基因的表达实际上将大脑划分为不同但相关的区域，“Kerstjens解释说。

搜索相关单元格

在模型的第二阶段，细胞与其他细胞连接。“在这里，我们只给它们基本的指示，即轴突应该使用哪些分子信号来引导它们前进，”Kerstjens继续说道。“从本质上讲，我们告诉每个人追踪决定其自身个体发育的遗传模式。然后由轴突跟随分子方向到达它们的关系地址。

研究人员已经证明，这种相对简单的机制可以将轴突引导到远距离的某些细胞，产生类似于真实小鼠大脑的连接体。“大多数细胞连接到附近的其他细胞，而少数细胞则连接到遥远的地区。这产生了大脑的不同区域，每个区域都包含紧密联系的网络并与其他区域相连。

了解原理

这个简单的模型并不能完全解释真实人脑的映射。“但这不是我们工作的目标，”Kerstjens说。“我们想了解如何创建能够学习的器官的原则。我们的工作向我们展示了未来研究可以采取的方向。

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