Об открытии, опубликованном в журнале Nature Scientific Reports, январь. 27, возникла, когда исследователи стремились понять фрактальную природу нейронов в рамках проекта Университета Орегона по разработке электродов фрактальной формы для соединения с нейронами сетчатки для решения проблемы потери зрения из-за заболеваний сетчатки.
«Задача нашего исследования состояла в том, чтобы понять, как нейроны, на которые мы хотим воздействовать в сетчатке, будут подключаться к нашим электродам», – сказал Ричард Тейлор, профессор и глава физического факультета Университета штата Вашингтон. "По сути, мы должны обмануть нейроны, заставив их думать, что электрод – это другой нейрон, заставив их иметь одинаковый фрактальный характер."
Работая с сотрудниками из Оклендского и Кентерберийского университетов в Новой Зеландии, конфокальная микроскопия нейронов в области гиппокампа головного мозга крысы выявила сложное взаимодействие ветвей, переплетающихся в пространстве в разных масштабах, прежде чем соединиться с другими нейронами.
Это, по словам Тейлора, поднимает вопрос, зачем использовать такую сложную схему?
С помощью докторанта UO Сабы Мослехи докторанты Джулиан Х. Смит и Конор Роуленд обратились к 3D-моделированию, чтобы изучить, что происходит, когда они манипулируют дендритами более 1600 нейронов, придавая им неестественные формы, выпрямляя или скручивая их.
"Искажая их ветви и глядя на то, что происходит, мы смогли показать, что фрактальное переплетение естественных ветвей уравновешивает способность нейронов соединяться со своими соседями для формирования естественных электрических цепей, одновременно уравновешивая затраты на строительство и эксплуатацию цепей. , "Сказал Роуленд.
Используя фрактальный анализ, известный как метод подсчета ящиков, исследователи смогли назначить фрактальные измерения или значения D, которые количественно определяют относительный вклад крупных и мелкомасштабных дендритов во фрактальный паттерн нейрона.
Эти значения D, сказал Тейлор, будут важны для оптимизации крошечных электродов его команды для имплантации в заднюю часть глаз для стимуляции нейронов сетчатки.
«Наши имплантаты должны будут приспособиться к сплетению ветвей нейронов за счет тщательного выбора их значений D», – сказал Тейлор, член Института материаловедения UO. «В отличие от строительства прямой взлетно-посадочной полосы, чтобы пилот мог эффективно приземлиться, наши электроды должны действовать как ткацкая взлетно-посадочная полоса, чтобы нейроны могли соединяться, не меняя своего поведения."
«Фракталы природы выигрывают от того, как они растут в разных масштабах», – сказал Тейлор, который давно обратился к фракталам как к биовдохновению.
Хотя деревья имеют наиболее узнаваемую форму фрактального ветвления, эта работа, по его словам, подчеркивает, чем нейроны отличаются от деревьев.
«В то время как фрактальный характер деревьев происходит главным образом от распределения размеров ветвей, нейроны также используют способ, которым их ветви переплетаются в пространстве, чтобы создать свой фрактальный характер», – сказал Тейлор.
Тейлор, стипендиат Коттрелла из Исследовательского совета по развитию науки, получил широкую награду U.S. патент в 2015 году не только на его разработку искусственных имплантатов на основе фракталов, связанных со зрением, но и на все такие имплантаты, которые связывают сигнальную активность с нервами для любых целей в биологии животных и человека.
Тейлор и соавторы завершили свою статью, подчеркнув возможность того, что значения D нейронных сетей могут быть полезны при исследованиях многочисленных заболеваний, связанных с головным мозгом.
По словам Тейлора, для болезни Альцгеймера значения D могут быть мерой для понимания снижения связи между нейронами.
«Многие заболевания приводят к потере связи, и значения нейронов D могут падать, когда они переходят в патологическое состояние», – сказал он.