Человеческий мозг начинается с одной-единственной клетки, которая со временем превращается в один из самых сложных органов организма, содержащий около 170 миллиардов клеток. Каким образом все эти клетки занимают строго определённые места и формируют работающие нейронные сети, остаётся одной из главных загадок нейробиологии развития.

Исследователи из Лаборатории Колд-Спринг-Харбор считают, что ответ может быть значительно проще, чем предполагалось ранее. Согласно их работе, клетки мозга ориентируются в процессе развития благодаря тому, что остаются рядом со своими клетками-предшественниками. Этот механизм помогает мозгу самостоятельно организовывать свою структуру по мере роста и может изменить представления не только о развитии нервной системы, но и о принципах построения искусственного интеллекта.

Каждая клетка должна понимать своё место

Постдокторант Стэн Керстенс из лаборатории профессора Энтони Зейдора объясняет, что перед каждой развивающейся клеткой стоят два ключевых вопроса: где она находится и какой клеткой ей предстоит стать.

Клетка воспринимает только себя и своих ближайших соседей, однако её дальнейшая судьба полностью зависит от положения в развивающемся мозге. Если клетка окажется не на своём месте, она может приобрести неправильную специализацию, что нарушит нормальное формирование мозга.

В исследовании, опубликованном в журнале Neuron, учёные из Лаборатории Колд-Спринг-Харбор, Гарвардского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich) предложили новую модель, объясняющую, как миллиарды клеток одновременно решают эту сложную задачу.

Не только химические сигналы

На протяжении десятилетий считалось, что клетки определяют своё положение главным образом благодаря химическим сигналам, которыми они обмениваются друг с другом. Такой механизм хорошо работает в небольших тканях, однако его трудно применить к быстро растущему мозгу, содержащему миллиарды нейронов.

Поскольку концентрация химических сигналов уменьшается с расстоянием, давно оставалось неясным, каким образом клетки, находящиеся далеко друг от друга, могут точно определить своё местоположение.

Авторы новой работы предполагают, что важную роль играет клеточная родословная — последовательность делений, связывающая клетки с их общим предком.

Для наглядности исследователи сравнивают этот процесс с расселением людей. Потомки обычно селятся неподалёку от своих родителей, благодаря чему постепенно формируются крупные географические структуры без необходимости поддерживать связь на больших расстояниях. По мнению учёных, клетки мозга используют аналогичный принцип, сохраняя близость к своим «родственникам» по мере роста мозга.

Проверка новой гипотезы

Для проверки этой идеи исследователи разработали так называемую модель масштабируемой позиционной информации, основанную на клеточном происхождении.

Сначала они протестировали её с помощью математических расчётов, затем проанализировали активность генов в развивающемся мозге мышей как на уровне отдельных клеток, так и более крупных клеточных структур.

После этого аналогичный анализ был проведён на мозге рыбок данио-рерио. Полученные результаты оказались схожими, что свидетельствует о возможном существовании этого механизма у различных позвоночных независимо от размеров мозга.

Авторы пришли к выводу, что клеточная родословная и химические сигналы, вероятно, совместно обеспечивают правильное пространственное расположение клеток во время развития мозга.

Возможные последствия открытия

Хотя исследование посвящено развитию мозга, учёные считают, что аналогичный принцип может действовать и в других растущих тканях организма, включая опухоли.

Кроме того, эта идея может оказаться полезной при создании будущих саморазвивающихся систем искусственного интеллекта. Если ИИ сможет передавать информацию между последовательными поколениями моделей, он потенциально сможет использовать организационные принципы, напоминающие механизмы наследования информации между клетками.

В конечном счёте работа помогает приблизиться к ответу на один из самых фундаментальных вопросов современной науки — каким образом из одной клетки возникает человеческий интеллект.

Как отметил Стэн Керстенс, понимание того, как мозг приобрёл способность создавать интеллект сначала в ходе индивидуального развития, а затем в процессе эволюции, является одним из важных элементов огромной научной головоломки.