Het leven zit vol met patronen. Het is gebruikelijk dat levende wezens een zich herhalende reeks van vergelijkbare kenmerken creëren terwijl ze groeien:denk aan veren die enigszins in lengte variëren op de vleugel van een vogel of kortere en langere bloembladen op een roos.

Het blijkt dat de hersenen niet anders zijn. Door gebruik te maken van geavanceerde microscopie en wiskundige modellering, Onderzoekers van Stanford hebben een patroon ontdekt dat de groei van hersencellen of neuronen regelt. Soortgelijke regels kunnen de ontwikkeling van andere cellen in het lichaam leiden, en het begrijpen ervan kan belangrijk zijn voor het succesvol bio-engineering van kunstmatige weefsels en organen.

hun studie, gepubliceerd in Natuurfysica , bouwt voort op het feit dat de hersenen veel verschillende soorten neuronen bevatten en dat er verschillende soorten nodig zijn om samen te werken om taken uit te voeren. De onderzoekers wilden de onzichtbare groeipatronen blootleggen waarmee de juiste soorten neuronen zich op de juiste posities kunnen rangschikken om een ​​brein te bouwen.

"Hoe regelen cellen met complementaire functies zichzelf om een ​​functionerend weefsel te construeren?" zei studie co-auteur Bo Wang, een assistent-professor Bioengineering. "We kozen ervoor om die vraag te beantwoorden door een brein te bestuderen, omdat algemeen werd aangenomen dat het brein te complex was om een ​​eenvoudige patroonregel te hebben. We verrasten onszelf toen we ontdekten dat het zo was, in feite, zo'n regel."

De hersenen die ze wilden onderzoeken behoorden toe aan een planarian, een millimeterlange platworm die na amputatie elke keer een nieuwe kop kan aangroeien. Eerst, Wang en Margarita Khariton, een afgestudeerde student in zijn lab, gebruikte fluorescerende vlekken om verschillende soorten neuronen in de platworm te markeren. Vervolgens gebruikten ze microscopen met een hoge resolutie om beelden van de hele hersenen vast te leggen - gloeiende neuronen en al - en analyseerden ze de patronen om te zien of ze de wiskundige regels konden extraheren die hun constructie leidden.

Wat ze ontdekten was dat elk neuron wordt omringd door ongeveer een dozijn buren die op hemzelf lijken, maar daartussen worden andere soorten neuronen afgewisseld. Deze unieke opstelling betekent dat geen enkel neuron vlak tegen zijn tweeling, terwijl nog steeds verschillende soorten complementaire neuronen dicht genoeg bij elkaar kunnen zijn om samen te werken om taken uit te voeren.

De onderzoekers ontdekten dat dit patroon zich keer op keer herhaalt over het hele platwormbrein om een ​​continu neuraal netwerk te vormen. Studie co-auteurs Jian Qin, een assistent-professor chemische technologie, en postdoctoraal wetenschapper Xian Kong ontwikkelde een rekenmodel om aan te tonen dat dit complexe netwerk van functionele buurten voortkomt uit de neiging van neuronen om zo dicht mogelijk bij elkaar te komen zonder te dicht bij andere neuronen van hetzelfde type te komen.

Hoewel neurowetenschappers deze methodologie op een dag zouden kunnen aanpassen om neuronale patronen in het menselijk brein te bestuderen, de Stanford-onderzoekers zijn van mening dat de techniek nuttiger kan worden toegepast op het opkomende gebied van tissue engineering.

Het basisidee is simpel:weefselingenieurs hopen stamcellen te induceren, de machtige, cellen voor algemeen gebruik waaruit alle celtypen voortkomen, om uit te groeien tot de verschillende gespecialiseerde cellen die een lever vormen, nier of hart. Maar wetenschappers zullen die verschillende cellen in de juiste patronen moeten rangschikken als ze willen dat het hart klopt.

"De vraag hoe organismen uitgroeien tot vormen die nuttige functies vervullen, fascineert wetenschappers al eeuwenlang, " zei Wang. "In ons technologische tijdperk, we zijn niet beperkt tot het begrijpen van deze groeipatronen op cellulair niveau, maar kunnen ook manieren vinden om deze regels voor bio-engineeringtoepassingen te implementeren."