Кіріспе

Теориялық нейроморфология - бұл морфологияны жүйке жүйесіндегі пішін мен байланысты математикалық сипаттау үшін пайдалану туралы ғылым.

Тарих

Пішіндерді ұтымды зерттеу ұзақ уақыт бойы қалыптасты. Өткен ғасырда жасалған үлкен жетістіктерде морфогенезді (формалар жасалу тәсілі) және морфологияны (реализацияланған формалар) ажырату маңызды.

Морфогенез

Формалар туралы маңызды тұжырымдамалық өзгерістер Арси Томпсонның табиғаттағы формалармен айналысатын эссесінен (1917) пайда болды. Бұл өзгерістер статикалық емес, морфогенетикалық факторлардың нәтижесі деп қарастырылды. Оның жан-жақты табиғаты бойынша танылмайтын нысан күштердің қарапайым нәтижесі ретінде анықталады. "Апаттық теорияның" негізін қалаушы Том (1974) өзінің осы жұмысына не тиесілі екенін мойындады. Линейлік емес математиканың апат теориясының әртүрлі салалары, фрактал теориясы, "диссипативтік құрылымдар" теориясы, хаос теориясы Бутоның (1993) "морфологиялық революция" деп атауына әкелді, ол кеңістіктегі формалар туралы түсінікті терең өзгертті. Теориялық нейроморфология морфогенезді (формалардың жасалу тәсілі) оның мақсатын жүзеге асырылған формаларға шектеу үшін жоққа шығарады.

Нейроморфология

Кейбір нәтижелерге қарамастан, кеңістік пен пішіндер көбінесе жүйке жүйесінің жұмыс істеуі туралы ақпарат әкелуі мүмкін деп есептелмеген. Нейроморфология әлі де болса, бүкіл нейрондарды көруге мүмкіндік беретін Голги әдісі ашылғаннан кейін қарқынды зерттелді. Бұл сипаттамалар мен суреттермен мол әдебиетке жол ашты. Бұл Рамон и Кахальға (1911) "нейрон теориясын" (ми бір-бірімен байланысатын жеке жасушалардан тұрады) анықтауға және "динамикалық поляризацияның" (аксональдық бағыттар) заңын жасауға мүмкіндік берді. Басқалармен бірге ол мидың белгілі бір жерлеріне байланысты нейрондардың әртүрлі үлгілерін көрсетті және белгілі бір формалар атқаратын рөлдер туралы гипотезалар шығарды. Кейін бірнеше рет әрекет жасалды. Бір қадам - Мэнненнің (1960) дендриттік морфологияны қайталап, жабық және ашық ядролар туралы жұмысы. Мұның артынан Рамон Молинердің дендриттік ормандылықтарына сәйкес нейрон түрлерін анықтайтын бірнеше мақалалары келді.

Ресмилендіру

Табиғи формаларға деген көзқарасты Стивенс (1974) ұсынды, ол формаларды ұтымды түрде жіктеуді және олардың тікелейлігі немесе тәсілдерінің үнемдеуі тұрғысынан олардың ерекше қасиеттері мен артықшылықтарын табуға тырысты. Бір ғасырдан бері әлі де нашар пайдаланылған теориялық құралдар қоры жүйке жүйесін түсіну үшін өте пайдалы екені анықталды. Бұл құралдар, әдетте, логикалық немесе тар мағынада логико математикалық деп жіктелуі мүмкін. Көрініп тұрғандай, теориялық нейроморфология үшін геометриямен бірге метрикалық параметрлер үшін ең пайдалысы - жиынтық теориясы, жүйелер теориясы, граф теориясы.

Жалпы морфологиясы

Классикалық дәстүрлі нысандар Евклид геометриясын қолдану арқылы сипатталуы мүмкін, мысалы, Картезиандық триедрмен (үш "өлшемге" арналған бір перпендикуляр балта) байланысты. Бұл нысандар материалдық түрге ие болуы мүмкін (кубтар, шарлар). Алайда көптеген табиғи объектілерді Евклид геометриясын пайдалану арқылы қанағаттанарлық сипаттауға болмайды. Олардың көбісі, мысалы, фракталдар (Mandelbrot, 1983), өйткені олар тармақталған, тесіктері бар немесе тым көп, және т.б. Бұл әсіресе беттер мен көлемдерге қатысты. Стивенс (1974) атап өткендей, кейбір морфологиялық үлгілер нақты артықшылықтар ұсына алады. Нысандардың бетінің негізгі болып табылатын екі шетінен мысал келтіруге болады. Жер бетінде ішкі және сыртқы нысандар алмасады. Ең аз алмасудың артықшылығы бар жағдайда, таңдалған пішін әдетте жұмыртқа тәрізді (мысалы, жұмыртқа, дәнді дақылдар, жеміс-жидек, кит тәрізділер және т.б.) сфераны толық шектей отырып), бұл берілген көлем үшін бетті ең төменгі шегіне дейін шектейді. Егер алмасудың негізгі маңызды жері болса, онда материалдың ең аз құны қажет. Бинарлық тармақтану материяның көлемін арттырмай, бетті айтарлықтай арттырады. Бұл өсімдіктер мен тамыр, өкпе, несеп жүйелеріне қатысты. Жүйке жүйесін екілік ормандылықтарды тарату мен қабылдау арасындағы алмасу жүйесі ретінде қарастыруға болады, бұл үлкен комбинациялық диапазонды ұсынады.

Анықтау және жіктеу

Нейроморфологияның бір мәселесі - оның бір ғана затты, миды емес, орташа миды сипаттауы. Бұл статистиканы кеңінен пайдалануды негіздейді. Тейнер (1975) және Роу мен Стоун (1977) нейрондық жіктеу процесінде құрметтелетін тұжырымдамалық негіздерді талдады. Олар жіктеу мен сәйкестендіруді ажырату қажеттігін айтты. Классификация көп факторлы әдістерге негізделуі және иерархиялық болуы тиіс (екі жүз жылдық жануарлар таксономиясы бойынша). Соманың сипаттамаларына көптеген атаулар немесе сәйкестендірулер жасалған кезде, толық дендриттік ағаштандыруларды тек сандық зерттеу ғана бейтарап нейрондық таксономияға мүмкіндік бере алатыны анық болды. Бір жануар түрінің миының белгілі бір бөлігіндегі нейрондардың белгілі бір тобы нейрондық түр деп аталады. Бірдей морфологиялы нейрондар басқа жануарлар түрінде бір жерде кездескенде, бұл нейрондық тұқым деп аталады. Нейрондық отбасылар да бар. Мысалы, макактардың жолақты денесідегі тікенді нейрондар бір түрге жатады. Адам және/немесе басқа түрлермен бірге олар бір тұқым құрайды. Статистикалық салыстырулар не өзгермегенін немесе эволюция барысында не өзгергенін талдауға мүмкіндік береді. Нейрондардың объективті анықталуынан бастап, нейрондар жиынтығын құруға мүмкіндік туды.

Жинақтар

Көптік теориясы математиканың барлық салаларының негізі болып табылады (Кан, 1995). Жинақ теориясы талдау мен ойлау тәсіліне үлкен өзгерістер әкелді. Бұл қарапайым тұжырымдамалардан басталады. Мысалы, жиын элементтердің жиынтығы (Кан, 1995), ол интуитивті және дәлелдеудің қажеті жоқ. Элементтердің жиынның мүшелері болулары ортақ. Белгілі бір жиынтықтың элементтерінің ортақ қасиеттерімен анықталады. Бұл ұқсастық мәселелерін, сондай-ақ типология мен жіктеу мәселелерін көтереді.

Нейрондық жиынтықтар

Нейрондық жиынтықтар тұтас нейрондар немесе нейрондық бөлшектер жиынтығы болуы мүмкін.

Нейрондық жүйелер

Біздің ойлау, әрекет ету және есте сақтау қабілетіміз жүйке жүйесінің қызметіне байланысты. Адамның миын оның негізгі элементтері - нейрондардың қасиеттері мен функцияларын анықтамай тұрып түсінуге болмайды. Бұл күрделі және ерекшеленген жасушалар. Алайда, соңғы бірнеше жылда қол жеткізілген жасушалық эволюцияны жақсырақ түсіну, тіпті жүйке жасушаларының ең күрделі және ерекше қасиеттері, барлық эукариотты жасушаларда, соның ішінде бір жасушалы организмдерде байқалған негізгі функциялардың бейімделуін білдіреді. Осылайша жасушалық нейробиология жасуша биологиясының маңызды бөліміне айналды. Нейрондарды зерттеу клетканың негізгі биологиясының жетістіктерінен көп пайда алады. Нейрондардың ерекшеліктері туралы зерттеулер биологияның басқа салаларында да үлкен жетістіктерге жетіп жатыр. Бөлімдегі жасушалық нейробиология жобалары синапста мембраналық трафиктегі механизмдерге, жасушалық полярлылықтың дамуы мен сақталуына және нейрон цитоплазмасындағы органеллер мен макромолекулалардың гетерогенді таралуына жауапты механизмдерге бағытталған. Синапстердің қалыптасуы мен пластиктігі де зерттеледі. Кафедраның дәстүрі бойынша осы салалардағы сұрақтарға генетика, ақуыз және липид биохимиясы, молекулалық биология және заманауи жарық және электронды микроскопиялық бейнелеу техникаларын қолдану арқылы көп салалы тәсілмен қарастырылады. Эксперименттік жүйелерге тышқан үлгілері, өсірілген нейрондар, ірі модельді синапстар, оқшауланған синапстық препараттар және жасушасыз жүйелер кіреді. Бұл негізгі зерттеулер мен аурулар арасындағы байланыс ерекше назарға алынды.