Теоретическая нейроморфология

Теоретическая нейроморфология — это наука, использующая морфологию для математического описания формы и связей в нервной системе .

История

Рациональное изучение форм сформировалось давно. Среди основных достижений, достигнутых за последнее столетие, важно различать морфогенез (способ создания форм) и морфологию (реализованные формы).

Морфогенез

Важные концептуальные изменения в отношении форм произошли благодаря эссе д'Арси Томпсона (1917), посвященному формам в природе. Они не считались статическими, а являлись результатом морфогенетических факторов. Непознаваемая по своей внутренней природе форма определяется как простой результат действия сил. Том (1974), основатель «теории катастроф», признал, чем он обязан этой работе. нелинейной математики Ряд различных разделов теории катастроф , теория фракталов , теория «диссипативных структур», теория хаоса привели к тому, что Буто (1993) назвал «морфологической революцией», которая глубоко изменила концепцию формы в пространстве. Теоретическая нейроморфология отвергает морфогенез (способ создания форм), ограничивая свою цель реализованными формами.

Нейроморфология

Несмотря на некоторые результаты, пространство и формы часто не считались источниками информации о функционировании нервной системы. Нейроморфология интенсивно изучалась после открытия метода Гольджи , позволяющего видеть нейроны целиком. Это привело к появлению обильной литературы с описаниями и рисунками. Это позволило Рамону-и-Кахалю (1911) окончательно основать «нейронную теорию» (мозг состоит из отдельных клеток, сообщающихся между собой) и сформулировать закон «динамической поляризации» (аксонально). Вместе с другими он указывал на разнообразие структур нейронов в зависимости от конкретных мест мозга и уже высказал гипотезы о роли, которую могут играть те или иные формы. Позже было предпринято несколько попыток. Одним из шагов стала работа Маннена (1960) о закрытых и открытых ядрах, вновь настаивающих на дендритной морфологии. За этим последовало несколько статей Рамона-Молинера, определяющих типы нейронов в соответствии с их дендритными разветвлениями.

Формализация

Подход естественных форм был предложен Стивенсом (1974), который пытался рационально провести классификацию форм и найти их специфические свойства и преимущества с точки зрения прямоты или экономии способов. За почти сто лет существования важный корпус теоретических инструментов, до сих пор плохо используемых, оказался очень полезным для понимания нервной системы. Эти инструменты, как правило, можно классифицировать как «логические» или, более узко, как «логико-математические». Как будет видно, наиболее полезными для теоретической нейроморфологии, наряду с геометрией для метрических параметров, являются теория множеств , теория систем , теория графов .

Теоретические инструменты

Общая морфология

Классические традиционные формы исходили из евклидовой геометрии и могли быть описаны с ее помощью, например, в отношении декартовой тридры (одна перпендикулярная ось для трех «измерений»). Эти формы могут иметь материальную реализацию (кубики, шары...). Однако многие природные объекты не могут быть удовлетворительно описаны с использованием евклидовой геометрии. Многие из них, например, являются фракталами ( Мандельброт , 1983), потому что они разветвлены, имеют дыры или слишком изломчивы и т. д. В их случае три измерения больше не связаны линейно. Это особенно справедливо для поверхностей и объемов. Как уже подчеркивал Стивенс (1974), некоторые морфологические закономерности могут давать определенные преимущества. Можно привести пример двух крайностей, когда поверхность предметов является фундаментальной. Поверхность — это место, где объекты обмениваются между внутренним и внешним. В случае, когда более выгодным является минимальный обмен, обычно выбирается яйцевидная форма (например, яйца, зерна, фрукты, китообразные и т. д. со сферой в качестве идеального предела), которая для данного объема ограничивает поверхность до минимума. Когда обмен фундаментально важен, необходимы минимальные материальные затраты. Бинарное ветвление значительно увеличивает поверхность без значительного увеличения объема вещества. Это касается растительных деревьев и сосудистой, легочной, мочевыделительной систем. Нервную систему можно рассматривать как систему обмена между испусканием и получением бинарных разветвлений, предлагающую огромный комбинаторный диапазон.

Идентификация и классификация

Одна из проблем нейроморфологии заключается в том, что она должна описывать не один объект — мозг, а средний мозг. Это оправдывает широкое использование статистики.

Тайнер (1975), Роу и Стоун (1977) проанализировали концептуальные основы, которые следует учитывать в процессе классификации нейронов. Они настаивали на необходимости разделения классификации и идентификации.

Классификации должны основываться на многофакторных методах и быть иерархическими (в соответствии с двухсотлетней таксономией животных). Когда было сделано множество названий или идентификаций характеристик сомы, стало ясно, что только количественное исследование полных разветвлений дендритов может предложить средства для нейтральной таксономии нейронов. Особый вид группы нейронов в локализованной части мозга у одного вида животных называется видом нейронов . Когда нейроны примерно одной и той же морфологии наблюдаются в одном и том же месте у другого вида животных, это род нейронов . Существуют также семейства нейронов и так далее. Например, к одному виду относятся шипистые нейроны полосатого тела макаки. Наряду с человеком и/или другими видами они образуют род. Статистические сравнения позволяют проанализировать, что осталось прежним или что изменилось в эволюции.

Исходя из объективно определенных нейронов, стало возможным составлять нейронные множества.

Нейронные наборы

Наборы

«Теория множеств лежит в основе практически каждой области математики» (Кан, 1995). Теория множеств внесла большие изменения в способ анализа и рассуждения. Это начинается с простых концепций. Например, «множество — это совокупность элементов» (Кан, 1995), что интуитивно понятно и не требует демонстрации. Элементы должны быть членами множества. Конкретное множество определяется общими свойствами его элементов. Это поднимает проблемы сходства и, наконец, типологии и классификации.

Нейронные наборы

Наборы нейронов могут представлять собой наборы целых нейронов или частей нейронов.

Теоретическая годология

Нейронные системы

Наша способность думать, реагировать и запоминать зависит от функции нервной системы. Мы не сможем понять человеческий мозг, не выяснив предварительно свойства и функции его основных элементов — нейронов.

Это сложные и специализированные клетки. Однако улучшение понимания клеточной эволюции, достигнутое за последние несколько лет, показало, что даже самые сложные и уникальные свойства нервных клеток представляют собой адаптацию основных функций, наблюдаемых во всех эукариотических клетках, включая одноклеточные организмы. Таким образом, клеточная нейробиология стала важной главой клеточной биологии. Исследования нейронов в значительной степени используют прогресс фундаментальной клеточной биологии. И наоборот, исследования специализированных особенностей нейронов приводят к серьезным последствиям в других областях биологии. Проекты клеточной нейробиологии отдела сосредоточены на механизмах мембранного движения в синапсе, развитии и поддержании клеточной полярности и механизмах, ответственных за гетерогенное распределение органелл и макромолекул в цитоплазме нейронов. Также исследуются формирование и пластичность синапсов. По традициям кафедры вопросы в этих областях решаются междисциплинарно с использованием генетики, биохимии белков и липидов, молекулярной биологии и современных методов визуализации световой и электронной микроскопии. Экспериментальные системы включают мышиные модели, культивируемые нейроны, большие модельные синапсы, изолированные синаптические препараты и бесклеточные системы. Особое внимание уделяется взаимосвязи между этими фундаментальными исследованиями и болезнями.

Ссылки

Буто, А. (1993) Изобретение форм. О.Джейкоб. Париж
Д'Арси Томпсон (1942) О росте и форме. 2 Том. Кембриджский университет. Нажимать. Кембридж
Мандельброт, Б. (1983) Фрактальная геометрия природы. Фриман. Нью-Йорк. 3д. Эд
Рамон-и-Кахал, С. (1911) Гистология нервной системы человека и позвоночных. Малоин. Париж 2 Том.
Роу М.Х. и Стоун Дж. (1977) Именование нейронов. Классификация и наименование нейронов ганглиев сетчатки кошки. Мозговое поведение. Эвол. 14:185-216
Стивенс, П.С. (1974) Закономерности в природе. Маленький Браун
Тайнер, К.Ф. (1975) Именование нейронов. Приложения таксономической теории к изучению клеточной популяции. Мозговое поведение. Эвол. 12:75-96