Введение

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

История

Рациональное изучение форм было долгое время. В ходе основных прогрессов, достигнутых в течение последнего столетия, важно различать морфогенез (путь образования форм) и морфологию (реализованные формы).

Морфогенез

Важные концептуальные изменения относительно форм произошли из эссе д'Арси Томпсона (1917), посвященного формам в природе. Они не рассматривались как статические, а как результат морфогенетических факторов. Не познаваемая по своей интимной природе, форма определяется как простой результат сил. Том (1974), основатель "теории катастроф", признал, что он обязан этой работе. Ряд различных отраслей нелинейной математики, теории катастроф, фрактальной теории, теории "диссипативных структур", теории хаоса привели к тому, что Буто (1993) назвал "морфологической революцией", которая глубоко изменила концепцию форм в пространстве. Теоретическая нейроморфология отбрасывает морфогенез (путь, которым были сделаны формы), чтобы ограничить свою цель реализованными формами.

Нейроморфология

Несмотря на некоторые результаты, пространство и формы часто не считались способными принести информацию о функционировании нервной системы. Нейроморфология была интенсивно изучена после открытия метода Голги, позволяющего видеть целые нейроны. Это породило обилие литературы с описаниями и цифрами. Это позволило Рамону и Кахалу (1911) определить "теорию нейронов" (мозг состоит из отдельных клеток, которые общаются друг с другом) и сформулировать закон "динамической поляризации" (аксональные направления). Вместе с другими он указал на разнообразие паттернов нейронов в зависимости от конкретных мест в мозге и уже выдвинул гипотезы о ролях, которые могут играть конкретные формы. Несколько попыток были предприняты позже. Одним из шагов была работа Маннена (1960) по закрытым и открытым ядрам, вновь настаивавшим на дендритной морфологии. За этим последовали несколько статей Рамона Молинера, определяющих типы нейронов в соответствии с их дендритными деревообразованиями.

Формализация

Подход к естественным формам был предложен Стивенсом (1974), который попытался рационально сделать классификацию форм и найти их специфические свойства и преимущества с точки зрения прямоты или экономии способов. На протяжении почти столетия важный корпус теоретических инструментов, все еще плохо используемых, оказался очень полезным для понимания нервной системы. Эти инструменты, как правило, могут быть классифицированы 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.

Общая морфология

Классические традиционные формы исходили и могли быть описаны с помощью евклидовой геометрии, например, в отношении картезианской триедры (одна перпендикулярная топора для трех "измерений"). Эти формы могут иметь материальные реализации (кубики, шары). Однако многие природные объекты не могут быть удовлетворительно описаны с помощью евклидовой геометрии. Многие из них являются, например, фракталами (Mandelbrot, 1983), потому что они разветвлены, имеют отверстия или слишком непрозрачны и т. д. В их случае три измерения больше не связаны линейно. Это особенно верно для поверхностей и объемов. Как уже подчеркнул Стивенс (1974), некоторые морфологические модели могут предложить точные преимущества. Приведем пример из двух крайностей, где поверхность объектов имеет фундаментальное значение. Поверхность - это место, где предметы обмениваются между внутренним и внешним. В случае, когда более выгодно иметь минимальный обмен, выбранной формой обычно является овальная (такие как яйца, зерна, фрукты, китообразные и т. д.). с сферой как идеальным пределом), который для данного объема ограничивает поверхность до ее минимума. Когда обмен является фундаментально важным, требуется минимальная стоимость материала. Двойное разветвление значительно увеличивает поверхность, не увеличивая объем материи. Это относится к растительным деревьям и сосудистой, легочной, мочевой системам. Нервную систему можно рассматривать как систему обмена между испускающими и принимающими бинарными арборизациями, предлагая огромный комбинаторный диапазон.

Определение и классификация

Одна из проблем нейроморфологии заключается в том, что она описывает не один объект, мозг, а средний мозг. Это оправдывает широкое использование статистики. Тайнер (1975) и Роу и Стоун (1977) проанализировали концептуальные основы, которые должны соблюдаться в процессе классификации нейронов. Они настаивали на необходимости разделения классификации и идентификации. Классификации должны основываться на многофакторных методах и быть иерархическими (по двусталетней таксономии животных). Когда было сделано много наименований или идентификаций характеристик сомы, стало ясно, что только количественное исследование полных дендритных деревообразований могло предложить средство для нейтральной нейронной таксономии. Особый тип группы нейронов в локализованной части мозга у одного вида животных называется нейронным видом. Когда нейроны примерно одинаковой морфологии наблюдаются в одном и том же месте у другого вида животных, это называется нейронным родом. Есть также семейства нейронов и так далее. Например, колючие нейроны стриатума макак - один из видов. Вместе с человеком и/или другими видами они образуют род. Статистические сравнения позволяют анализировать то, что осталось неизменным или что изменилось в процессе эволюции. Начиная с объективно определенных нейронов, стало возможным создание нейронных наборов.

Набор

Теория множеств лежит в основе практически всех отраслей математики (Kahn, 1995). Большие изменения в способе анализа и рассуждения были вызваны теорией множеств. Это начинается с простых понятий. Например, множество - это совокупность элементов (Кан, 1995), которая является интуитивно понятной и не требует доказательств. Элементы имеют в общем члены множества. Определенное множество определяется общими свойствами его элементов. Это поднимает проблемы сходства и, наконец, типологии и классификации.

Набор нейронов

Нейронные наборы могут быть наборами целых нейронов или их частей.

Нейронные системы

Наша способность думать, реагировать и запоминать зависит от работы нервной системы. Мы не можем понять человеческий мозг, не разобравшись в свойствах и функциях его основных элементов, нейронов. Это сложные и специализированные клетки. Однако улучшенное понимание 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 в фундаментальной биологии клеток. И наоборот, исследования специализированных особенностей нейронов приводят к серьезным неудачам в других областях биологии. Проекты клеточной нейробиологии в отделе сосредоточены на механизмах мембранного трафика в синапсе, на развитии и поддержании полярности клетки и на механизмах, ответственных за гетерогенное распределение органелл и макромолекул в нейронной цитоплазме. Также изучается образование и пластичность синапсов. В соответствии с традициями кафедры, вопросы в этих областях подходят в междисциплинарной манере с использованием генетики, белковой и липидной биохимии, молекулярной биологии и современных методов визуализации световой и электронной микроскопии. Экспериментальные системы включают в себя модели мышей, культивируемые нейроны, большие модели синапсов, изолированные синаптические препараты и системы без клеток. Особое внимание уделяется связи между этими фундаментальными исследованиями и болезнями.