Buchin нейро

2020-07-09 04:37:25 О моделях нейронов

Ни для кого не секрет, что любые модели врут. Как бы мы ни старались подогнать наше представление о мире в какие-то рамки, во всех правилах можно найти исключения. Тем не менее, построение моделей важно хотя бы для того, чтобы ограничить наше представление о реальности до того масштаба, на котором мы можем эту реальность понять.

В биологии и нейробиологии в частности, учёные всегда работают с какой-то моделью. Это может быть целое животное животное (например, мышь), культура клеток, отдельная клетка или даже какой-то процесс, которые вытащили из клетки и заставили работать в пробирке. Помимо физических моделей, существуют еще модели математические. Они представляют собой набор уравнений или правил, которые описывают определенный биологический процесс. Каждая модель обычно является результатом работы группы ученых, которая много лет ее создавала, чтобы с её помощью можно было объяснить определенный биологический процесс.

Тем не менее, нам часто необходимо строить модели для большого количества объектов, которые похожи между собой. Одним из примеров являются нейроны и процессы, которые происходят в их мембране. Генерация нервных импульсов в нейронах мозга осуществляется за счет взаимодействия различных ионных каналов. Через каналы проходит электрический ток, который переносят ионы натрия, калия и хлора.

Чтобы лучше понять как разные типы нейронов генерируют нервные импульсы, мы построили модели для 230 различных типов клеток на основании нейронов из срезов мозга мыши. Для того, чтобы этого добиться, нам пришлось разработать целый программный пакет для создания этих моделей на компьютерном кластере. Дело в том, что многие параметры для моделей отдельных нейронов до этого подбирались вручную. Во многом это связано с тем, что довольно долго не существовало хороших методов для оптимизации сильно нелинейных систем уравнений. Поэтому зачастую многим исследователям приходилось подбирать параметры вручную. Это гораздо проще сделать для одного нейрона, нежели создавать отдельный метод для поиска подходящих параметров. С одной стороны, это помогало исследователям публиковать свои работы быстрее для небольшого количества клеток. С другой, такой метод подбора параметров вручную имеет много ограничений. Дело в том, что нейронов очень много в головном мозге, у человека их около 86 триллионов.

Для массового создания моделей нейронов, мы использовали генетические алгоритмы, которые хорошо подходят для нелинейных задач оптимизации. Это позволило нам не только подобрать параметры для каждого отдельного нейрона из экспериментов, но и оценить набор параметров для каждого нейрона по отдельности и каждого класса нейронов. Оказалось, что многие параметры находятся в строго ограниченной области всего пространства параметров, где нейрон может нормально функционировать. Это подтвердило работы других коллег, которые показали, что набор параметров для каждого нейрона неслучаен. С точки зрения эволюции, это имеет смысл – нейрон, который не может выполнять свою функцию в мозге не нужен, поскольку не сможет нормально передавать информацию от других клеток, поэтому не будет поддержан отбором. Для нормального функционирования нейрона необходим баланс различных ионных токов, которые позволяют каждой клетке генерировать импульсы определенным образом. Более того, оказалось, что нейроны похожих типов обладают схожими наборами параметров, а чем больше отличаются нейроны. Відкрити / Коментувати

2020-05-23 03:01:38 Об эпилепсии человека

Наконец-то мы отправили статью про эпилепсию человека в журнал, и теперь ждем ответа. Это хороший повод рассказать о том, чем же я занимался в течение последних 3х лет.

Эпилепсия довольно распространенное заболевание у человека, им болеют около 1% населения Земли. Эпилептики известны во всех культурах, например, в Древней Греции ей собственно и дали название эпилепсия от греческого ἐπίληπτος, что значит схваченный. Как древние греки, так и римляне объясняли приступы божественным вмешательством. С тем пор человечество все же немного продвинулось в понимании причин эпилепсии и об этом я хочу немного рассказать.

Дело в том, что многие процессы, которые происходят в клетках связаны с тонким балансом, который можно увидеть в отдельных клетках, так и при их взаимодействии. Например, эпилепсия почти всегда связана с нарушением баланса между возбуждением и торможением. В нервной системе есть два основных классов нейронов: возбуждающие и тормозные. Активность возбуждающих нейронов приводит к увеличению активности сети, а активность тормозных приводит к подавлению активности. Возбуждение позволяет нейронам обмениваться информацией друг с другом, а торможение помогает удерживать уровень возбуждения в пределах нормы. Если говорить о крайностях, то когда преобладает торможение, то человек спит во время глубокой фазы сна, либо находится в коме. Если же слишком много возбуждения, то возникает эпилептический приступ. В мозге больных эпилепсией нарушается баланс возбуждения и торможения, поэтому у таких людей возникают приступы.

Чтобы понять что именно происходит при эпилепсии, мы изучили свойства мозга человека, которая была получена от больных эпилепсией. В случаях, когда приступ возникает в определенном месте в мозге, его возможно удалить хирургическим путем. В большинстве случаев больные при этом поправляются, поэтому часто можно говорить, что причину эпилепсии можно найти в определенном месте. Именно такую патологическую ткань мы и изучали в нашей работе.

Надо сказать, что при патологиях нервной системы беда никогда не приходит одна. Если сломался один механизм, то это обычно не ограничивается изменением активности одного единственного гена (как обычно в биологии, исключения бывают). Более того, сложно понять что же именно изменилось по сравнению с нормой, поскольку мы не можем вырезать здоровую ткань и сравнить ее патологической. Помимо эпилепсии, в ткани больных также часто можно увидеть склероз. Склерозом называют не потерю памяти, а замену ткани органа соединительной тканью. Например, в мозге в более поздней фазе склероза довольно мало нейронов, их место занимают вспомогательные глиальные клетки. Тем не менее, мы нашли способ увидеть паттерн в наших данных – оказалось, что если сравнивать нейроны более ранней фазы склероза по сравнению с более поздней, то можно увидеть довольно четкую картину.

Оказалось, что нейроны больных эпилепсией в более поздней стадии склероза меняют свои свойства и становятся более возбудимыми. Помимо этого, такие нейроны становятся физически больше, а также получают больше входов от других нейронов. Это позволило нам построить математическую модель эпилептического приступа, в которой мы проанализировали свойства нейронов и их сетей, которые приводят к повышенной возбудимости.

Надо сказать, что моделирование особенно важно при понимании биологических процессов. Для того, чтобы изучить влияние различных факторов, необходимо было построить модель, которая основывается на подробных биологических данных. В процессе построения мы узнали какие свойства нейронов мы можем изменить, чтобы сделать нейроны более возбудимыми. В дальнейшем это позволит нам сконцентрироваться на тех свойствах нейронов, которые можно будет изменить с помощью лекарств или вирусной терапии. Но об этом в другой раз.


#нейротоля

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.04.24.060178v4 Відкрити / Коментувати

2020-04-09 00:02:12 Оказывается для того, чтобы разделить клетки на разные типы достаточно проанализировать уровень экспрессии генов в каждой клетке, что затем это позволит объяснить другие их свойства. Мы обнаружили, что нейроны, у которых активны те же гены, похожи между собой, а также отвечают схожим образом на стимуляцию электрическим током. В нашей работе мы сравнили нейроны человека и мыши из слоя 2-3 новой коры. Именно этот слой значительно увеличился в размере у человека по сравнению с общим предком человека и мыши. Оказалось, что человеческие нейроны имеют гораздо большее количество типов клеток в этом слое. Более того, мы обнаружили, что человеческие нейроны обладают большим разнообразием свойств в пределах одного и того же типа. Возможно это связано с тем, что человеческие клетки должны быть более разнообразными для того, чтобы решать более сложные задачи. Но это, конечно, наши спекуляции, поскольку связь структуры и функции в нервной системе до сих пор открытый вопрос. Более того, мы нашли некоторые типы нейронов, которые могут быть более уязвимы при болезни Альцгеймера. В будущем, это может нам помочь разрабатывать вирусную терапию для этого типа клеток. Но это еще одно предсказание с нашей стороны и пока непонятно насколько это будет полезным в будущем.

В целом, эта работа потребовала взаимодействия огромного количества ученых, инженеров, лаборантов и менеджеров . И я рад, что смог внести свой вклад в конечный результат.

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.03.31.018820v1.abstract?fbclid=IwAR17UFuztYE2IRI4A7LcP6Sfl8dym2b6gVTZDdSY6C-JHxvlPx4tgY2_b3g Відкрити / Коментувати

2020-04-09 00:02:12 О мышах и людях

Недавно мы отправили статью на биоархив. Это такой сайт, куда ученые выкладывают свои работы до публикации, чтобы получить обратную связь. Чтобы написать эту работу потребовалось 3 года работы, а также коллаборация 146 авторов из 13-ти разных научных институтов в разных частях мира. Именно такие проекты и называются большой наукой или “Big Science”. К тому же я давно не практиковался в популяризации науки, а теперь на карантине появилось время для этого.

По словам Карла Сагана «Мозг это очень большое место в очень маленьком пространстве». Это подходит для описания практически любого мозга, который мы можем найти природе. Особенно это подходит для человеческого мозга, который состоит как минимум из 100 миллиардов нейронов. Эта цифра сравнима с количеством звёзд в нашей галактике Млечного пути.

Более того, не все нейроны мозга похожи друг на друга. Разные типы клеток в некотором смысле похожи на зоопарк. Разнообразие нейронов немного во многом похоже на разнообразие видов млекопитающих. На первый взгляд 30-ти тонный серый кит сильно отличается от килограммовой чихуахуа. Тем не менее, оба они относятся к классу млекопитающих, и обладают четырьмя конечностями, одним сердцем, двумя почками и так далее. Тоже относится и к нервной системе, в которой можно найти маленькие клетки-зерна в мозжечке, размером около 10ти микрометров, так и гигантские клетки Бетца, которые находятся в моторной коре и пронизывают ее своим дендритом насквозь более чем на 1000 микрометров.

На протяжении эволюции в течение миллиардов лет, мозг, как и другие части тела значительно изменялись. Например, такая область человеческого мозга, как новая кора значительно увеличила свою площадь по сравнению со всеми другими млекопитающими. Увеличился, конечно, относительный размер коры по сравнению со всем мозгом. У слона или кита площадь коры, конечно больше, но ее относительный размер больше именно у человека. Более того, огромное многообразие психических функций связанно с новой корой. Именно она позволяет млекопитающим чувствовать, планировать действия, думать и быстро учиться. Мы, конечно, называем млекопитающих так потому, что они вскармливают своих детей молоком, но чуть ли не более важной тх характеристикой является наличие новой коры. Новой, потому что она появилась именно у млекопитающих, что позволяет им осуществлять сложное поведение, в том числе социальное, которого почти нет у других классов животных.

Кора млекопитающих обладает огромным разнообразием типов клеток. Её площадь очень быстро увеличилась по эволюционным меркам за 80 миллиардов лет. При этом увеличилось не только количество нейронов, но и их разнообразие. Но каким образом можно описать разнообразие клеток? Какие характеристики нужно использовать для этого? Стоит ли разделять клетки на группы на основании того как они выглядят, как они генерируют электрический ток или на основании того, какие гены у них активны? Відкрити / Коментувати

2019-12-31 21:33:33 Друзья, хотелось бы пожелать вам прекрасного 2020 года. За этот год я встретил большое количество прекрасных людей и многому научился. Мне хотелось бы пожелать всем вам удивительных открытий как в мире, вокруг, так и в своем внутреннем. Пусть и в следующем году вам сопутствует удача и ясное понимание того, к чему вы стремитесь. Хотелось бы поделиться чужим, но прекрасным поздравлением.

"Мы часто ищем причины наших бед, называем это законом подлости. Существует даже Закон Мёрфи: "если какая-нибудь неприятность может произойти - она обязательно произойдёт". Но второй закон термодинамики говорит нам, что часто неприятности не связаны с подлостью, чьим-то умыслом или злым роком. Это просто движение природы к своему естественному состоянию - от порядка к хаосу. Однако есть способ противодействовать возрастанию энтропии - для этого нужно приложить внешние усилия. Без усилий кубики пресса превратятся в шарик, порядок в квартире сменится бардаком, а успешный бизнес запросто обанкротится.

В культовом мультсериале "Рик и Морти", гениальный и безбашенный учёный Рик Санчез говорит о том, что Вселенная - это дикое животное, а смысл жизни - оседлать её и прокатиться, пока она тебя не сбросила. А она обязательно когда-нибудь сбросит. Я считаю, что Рик прав. Человек - это удивительный островок порядка в бескрайнем космосе энтропии. Стоит расслабиться и опустить руки - и хаос начнёт делать своё дело. Единственное, что может быть нашим предназначением и смыслом - прикладывать свои усилия, чтобы сопротивляться беспорядку.

В наших силах строить дома, сажать деревья, создавать семью, учиться и упорядочивать знания, открывать компании и развивать бизнес, совершать научные открытия и изобретения, создавать произведения искусства, и даже накачивать кубики пресса. Когда-нибудь это всё исчезнет и превратится в хаос. Но не сегодня. Сегодня всё в наших руках."

(с) Телеграм-канал "Ментальные модели"

Спасибо большое Максим Гулимонов за ссылку! Відкрити / Коментувати

2019-12-24 07:14:04 Друзья, неравнодушные к нейронауке.

25го декабря в Москве я собираюсь рассказать про нашу работу по эпилепсии человека в Сколтехе. Семинар будет совместным, где также будет выступать Борис Гутман, который расскажет про новые методы нейроимиджинга. Семинар будет открыт для всех желающих, но для этого необходимо зарегистрироваться по ссылке.

До встречи!

http://cnbr.skoltech.ru/openeducation/cnbr_christmas Відкрити / Коментувати

2019-08-14 07:58:06 Обычно для этого используются методы уменьшения размерности данных вроде метода главных компонент, разложения матриц, а также даже нейросети (https://ru.wikipedia.org/wiki/Снижение_размерности). Все это нужно для того, чтобы можно было нарисовать то, что нельзя представить. Т.е. найти такое представление данных на плоскости, которое будет максимально похоже на их положение в пространстве высокой размерности. При такой проекции оказывается, что большую часть клеток можно объединить в группы. В каждой группе будут находиться клетки похожие друг на друга.

Таким образом можно найти генетические типы клеток коры мозга, а также сравнить их с типами клеток других млекопитающих, например, грызунов (
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/384826v1). Конечно, сравнение с мышью довольно далёкое, поскольку общий предок грызунов и приматов существовал около 80 миллионов лет назад. Чтобы сделать эволюционное сравнение более полным, можно сравнивать типы клеток между человеком, человекообразными обезьянами и грызунами. Постепенно сравнивая типы клеток мозга между разными животными, можно понять что именно и как быстро произошло в ходе эволюции человеческого мозга, что сделало его столь эффективным. Помимо этого, составление таблиц типов клеток важно для сравнения участков мозга между собой, чтобы «не сравнивать яблоки с апельсинами». Также важно для понимания механизмов нейрологических заболеваний, чтобы можно было в деталях понять что именно происходит с различными типами нейронов при патологиях нервной системы. Відкрити / Коментувати

2019-08-14 07:58:06 О типах нервных клеток

Согласно китайской энциклопедии, животные делятся на:

а) принадлежащих Императору,
б) набальзамированных,
в) прирученных,
г) молочных поросят,
д) сирен,
е) сказочных,
ж) бродячих собак,
з) включённых в эту классификацию,
и) бегающих как сумасшедшие,
к) бесчисленных,
л) нарисованных тончайшей кистью из верблюжьей шерсти,
м) прочих,
н) разбивших цветочную вазу,
о) похожих издали на мух.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Классификация_животных_(Борхес)

Что-то давно я ничего не писал о биологии. Если честно, то времени в последнее время стало не хватать на популяризацию науки, занятие самой наукой занимает все время. Тем не менее, сегодня о типах клеток.

В нервной системе, да и во всем теле человека очень много клеток. Например, недавно сформированный институт Чан-Цукерберга ставит своей целью построить атлас всех типов клеток человеческого тела (https://www.czbiohub.org/projects/cell-atlas/), что позволит лучше понять что именно делают отдельные клетки, как их можно изменять, чтобы лечить и улучшать. В данных сила, к тому же не так давно они стали дороже нефти (https://www.economist.com/leaders/2017/05/06/the-worlds-most-valuable-resource-is-no-longer-oil-but-data).

Тем не менее, в нашем институте мы всем телом не занимаемся, нам хватает работы над человеческим мозгом. Как известно, в мозге очень много нейронов, около 10^11, т.е. единица с одиннадцатью нулями. Это очень большая цифра, ее и представить сложно, поскольку в обычной жизни она не встречается. По порядку величины, это примерно столько же сколько звезд в галактике млечного пути (https://ru.wikipedia.org/wiki/Млечный_путь). Но не все нейроны уникальны, многие похожи друг на друга. Поэтому ученые пытаются их классифицировать и разделить на типы. При этом типов должно быть гораздо меньшее количество, чем самих нейронов. Иначе смысле какой-либо классификации пропадает.

Но как можно разделить нейроны на типы, по какому признаку? Если животных можно упорядочить по строению органов, костей, последовательности ДНК, то как быть с клетками? В частности, для нейронов, важен ли их размер, морфология или их электрические свойства? Многие ученые считают, что должно существовать конечное число типов, которым принадлежат все клетки мозга. Один из способов характеризовать эти типы основывается на анализе генетической информации.

В каждой клетке организма постоянно происходит считывание генетической информации с ДНК. Затем информация копируется на матричную РНК, с которой синтезируются белки, которые выполняют различные функции (https://ru.wikipedia.org/wiki/Трансляция_(биология) ). Таким образом, информация из генома переходит на уровень белков, которые выполняют различные функции в клетке. Если посмотреть на всю РНК, которая есть в данный момент в клетке, то это будет что-то вроде фотографии, на которой запечатлено состояние клетки в данный момент. Более того это фото будет в том числе содержать информацию о типе клетки. Именно эту информацию мы пытаемся извлечь, чтобы было понятно что отличает одни клетки от других.

Современные методы секвенирования позволяют считывать информацию о десятках тысяч клеток одновременно. Сначала клетки выделяют из ткани, затем изолируют каждую клетку в липидной мембране и после этого их считывает секвенсор (https://ru.wikipedia.org/wiki/Секвенирование_РНК). Стоит сказать, что каждая клетка в таком случае описывается огромным вектором, значения которого соответствуют уровню экспрессии различных генов, т. е. сколько РНК находится в данной клетке. Количество данных на одну клетку может достигать 10 000 – 15 000, при этом можно оценить экспрессию около 16 000 клеток в одном образце ткани. Постепенно методы совершенствуются, что позволяет записывать больше и больше клеток, но разобраться в таком количестве информации совсем непросто. К сожалению, мы не способны представлять пространство размерности 15 000 генов x 16 000 клеток. Это можно сделать только с помощью численных методов. Відкрити / Коментувати

2019-02-15 18:18:57 Нейроны человека и других млекопитающих очень похожи, если смотреть «издалека». Тем не менее есть и важные различия. Недавно ученые из Института Аллена (среди которых и автор этой статьи) опубликовали работу в журнале Neuron, где показали, что возбудимости нейронов мозга человека и мыши заметно различаются. Оказалось, что нейроны коры мозга человека имеют гораздо большее количество HCN-каналов, которые особым образом влияют на возбудимость нейронов. Что это значит с точки зрения эволюции и какой эффект оказывает на поведение отдельных нейронов?

https://biomolecula.ru/articles/chto-osobennogo-v-mozge-cheloveka?fbclid=IwAR2497WNORuM3SnIVfScd7x5aB5162rhgcm-kMqqFQpl2k8zj941sLuWQ9Q Відкрити / Коментувати