Шипики за ролики: ПО для анализа нейронных связей поможет лечить деменцию

Шипы без роз

Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) создали компьютерную программу SpineTool, которая в автоматическом режиме анализирует изображения и определяют форму отростков в клетках мозга, формирующих нейронные связи. Эти образования называют дендритными шипиками. Благодаря им человек запоминает новую информацию и навыки в ходе обучения. При нейродегенеративных заболеваниях они изменяют свою морфологию. Понимать, как это происходит под воздействием разных процессов, важно, например, чтобы создать лекарство от деменции. Статья с описанием возможностей ПО опубликована в британском научном издании Scientific Reports, который входит в группу журналов Nature.

— 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, — сказала научный сотрудник Лаборатории молекулярной нейродегенерации Института биомедицинских систем и биотехнологий СПбПУ Екатерина Пчицкая.

Как пояснила ученая, нейроны должны формировать между собой контакты — синапсы. С одной стороны синапса находится посылающий сигнал отросток — аксон, а с другой стороны принимающий — дендрит. При формировании связи со стороны аксона образуется аксональный бутон, а со стороны дендрита появляется тот самый дендритный шипик.

Для изучения процессов в головном мозге ученые используют нейроны мозга мышей, которые выращивают в стерильных условиях — в специальной среде в инкубаторе. Они близки по строению к нейронам человеческого мозга. Специалисты могут наблюдать, как эти структуры развиваются и формируют новые отростки и синапсы. В ходе исследований их специально модифицируют так, чтобы они вырабатывали зеленый флуоресцентный белок, что далее позволяет получать их изображения в высоком качестве.

Программа пошагово анализирует эти изображения и строит трехмерную модель шипиков, отражающую их форму. Она всегда очень разнообразна — не существует двух полностью идентичных по строению отростков. Раньше их принято было описывать с помощью числовых значений длины, ширины и объема, но это дает слишком абстрактное представление об их реальном строении. Российские ученые впервые предложили выделять в изображении шипика отрезки и на их основе строить столбчатую диаграмму — гистограмму.

— 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.

Интересно, что компьютер смог классифицировать шипики с той же точностью, что и человек. Однако, когда ученые позволили программе самой проанализировать имеющийся у них массив данных, она разделила отростки на пять типов, а не на три.

Программа SpineToll имеет открытый исходный код и может свободно использоваться учеными со всего мира.

Упражнения для мозга

— Важно, что новое ПО позволит обрабатывать больше данных. Чем шипик толще, тел лучше по нему проходит сигнал между нервными клетками. Это и настраивает нейронные сети мозга в процессе обучения или формирования памяти. Чтобы разобраться с этим, нужно изучить как можно больше шипиков. А их миллиарды и миллиарды. Такие инструменты позволяют анализировать большое количество информации за короткое время и смотреть, как происходят изменения. Например, если исследовать мозг мертвого человека, можно при помощи программы увидеть, что происходит при заболеваниях, — сказал профессор Центра нейробиологии и нейрореабилитации Сколковского института науки и технологий Филипп Хайтович.

Исследования в области активности и морфологии шипиков показали, что они могут играть заметную роль в нейрофизиологии обучения и памяти человека. В частности, долговременная память частично опосредована ростом новых дендритных шипиков или увеличением ранее существовавших, пояснила «Известиям» руководитель НПЦ «Виртуальная клиника» Московского института психоанализа Ольга Валаева. По ее словам, многие нейродегенеративные заболевания ЦНС сопровождаются уменьшением дендритной длины, сокращением форм разветвлений и их количества.

— Результаты ряда исследования показывают, что такие методы терапии, как физические упражнения, когнитивная стимуляция и изменения в поведении, могут быть полезными для сохранения пластичности нейронов и улучшения неврологических симптомов. Такие инструменты, как SpineTool, могут сыграть ключевую роль в верификации этих исследований и отборе наиболее перспективных методов улучшения нейронной пластичности, — сказала Ольга Валаева.

То, что SpineTool написана на открытом коде, может дать дополнительный толчок к развитию исследований в различных областях, где изменения в дендритных шипиках могут играть ключевую роль в понимании природы и терапии заболевания — от болезни Альцгеймера до химических зависимостей, добавила Ольга Валаева.

Денис Гриценко