神经元迁移和生长之间的相互作用如何形成网络结构

人脑中的神经元并不是随机排列的。在皮层中，它们被组织成具有高内在连通性的相互连接的集群。这种模块化连接结构(其中集群最终作为功能单元)是在开发的早期阶段形成的。潜在的自组织过程是由神经元活动调节的，但对其详细机制仍知之甚少。基于体外研究和计算建模，来自弗莱堡伯恩斯坦中心的神经科学家Samora Okujeni博士和Ulrich Egert教授现在为理解大脑网络及其发展做出了重要贡献:在他们目前的研究中，他们展示了神经元生长和迁移如何在形成网络架构和成熟网络的模块化程度方面相互作用。他们的研究结果已经发表在开放获取的在线期刊上eLife．

神经元是群居细胞，从长远来看，它们会在孤立中死亡。因此，在发育过程中，它们生长出细胞过程，称为神经突，与其他神经元建立突触连接。然而，一旦它们接收到足够或过多的突触输入，它们就会停止生长或收缩。通过这种方法，神经元避免了长期的过度兴奋。研究人员普遍认为，神经元的生长因此受到控制以保持稳定神经活动在特定的目标级别上。

然而，为了增加连接的概率，神经元不仅能够生长出它们的神经突，而且还能够向其他神经元迁移。“在计算机模拟我们证明了迁移和神经突的生长可能相互作用，形成特定的中尺度网络架构，”萨莫拉·奥库杰尼说。这种交互调节了集群内本地连通性和集群间远程连通性之间的关系，从而调节了网络的模块化程度。“这反过来又会影响自发活动的产生和时空模式。”这种相互依赖可能对大脑皮层的正常发育至关重要。

科学家们通过实验来验证模型的预测细胞迁移在培养的大鼠皮层网络发育过程中，神经突的生长和活性相互作用神经元．为了调节这些网络中的细胞迁移，他们操纵了一种酶，这种酶主要参与神经元细胞骨架的调节。在他们的模拟中，细胞迁移和聚类同样促进了体外模块连接。

然而，此外，聚类促进了活动的产生，并导致更高的活动水平。这与建立共同目标活动水平所假定的增长调节不一致。科学家们可以解决这一差异:“细胞骨架动力学不直接由动作电位活动控制，而是间接通过相关的钙流入来影响生长和降解之间的平衡。”Okujeni解释道。“模块化提高了动作电位的总体速率，但降低了它们在网络上的同步性，这有效地决定了每个动作电位的钙流入。考虑到这种依赖性，我们估计了所有网络在发育过程中，结构达到了类似的钙流入目标水平。”