Neuromorfologia teoretyczna

Teoretyczna neuromorfologia to nauka wykorzystująca morfologię do matematycznego opisu kształtu i połączeń w układzie nerwowym .

Historia

Racjonalne badanie kształtów kształtowało się od dawna. W najważniejszych postępach, jakie dokonały się w ciągu ostatniego stulecia, ważne jest rozróżnienie morfogenezy (sposób tworzenia form) i morfologii (formy zrealizowane).

Morfogeneza

Ważne zmiany pojęciowe dotyczące form zapoczątkował esej d'Arcy'ego Thompsona (1917) dotyczący form w przyrodzie. Nie uznano ich za statyczne, ale za wynik czynników morfogenetycznych. Niepoznawalna w swojej intymnej naturze forma jest definiowana jako prosty wynik działania sił. Thom (1974), twórca „teorii katastrof”, przyznał, co zawdzięcza tej pracy. Szereg różnych gałęzi matematyki nieliniowej teorii katastrof , teorii fraktali , teorii „struktur dyssypatywnych”, teorii chaosu doprowadziły do ​​tego, co Boutot (1993) nazwał „rewolucją morfologiczną”, która głęboko zmodyfikowała koncepcję form w przestrzeni. Teoretyczna neuromorfologia odrzuca morfogenezę (sposób tworzenia form), aby ograniczyć swój cel do form zrealizowanych.

Neuromorfologia

Główny artykuł: Neuromorfologia

Mimo pewnych wyników często nie uważano przestrzeni i kształtów za zdolne do niesienia informacji o funkcjonowaniu układu nerwowego. Neuromorfologia była jeszcze intensywnie badana po odkryciu Golgiego pozwalającej zobaczyć całe neurony. Dało to początek obfitej literaturze, z opisami i rycinami. Pozwoliło to Ramonowi y Cajalowi (1911) definitywnie ustalili „teorię neuronów” (mózg składa się z oddzielnych komórek, które komunikują się ze sobą) i sformułowali prawo „dynamicznej polaryzacji” (aksonalnie). Wraz z innymi wskazywał na różnorodność wzorców neuronów w zależności od poszczególnych miejsc w mózgu i wysuwał już hipotezy dotyczące ról, jakie mogą pełnić poszczególne formy. Później podjęto kilka prób. Jednym z kroków była praca Mannena (1960) nad zamkniętymi i otwartymi jądrami, ponownie opierająca się na morfologii dendrytycznej. Następnie pojawiło się kilka artykułów Ramona-Molinera definiujących typy neuronów zgodnie z ich arboryzacjami dendrytycznymi.

Formalizowanie

Podejście form naturalnych zaproponował Stevens (1974), który starał się racjonalnie dokonać klasyfikacji form i znaleźć ich specyficzne właściwości oraz zalety w kategoriach bezpośredniości czy ekonomii dróg. Od prawie jednego stulecia ważny zbiór narzędzi teoretycznych, wciąż słabo wykorzystywanych, okazał się bardzo pomocny w zrozumieniu układu nerwowego. Narzędzia te można ogólnie sklasyfikować jako „logiczne” lub węższe jako „logiczno-matematyczne”. Jak zobaczymy, najbardziej przydatne w neuromorfologii teoretycznej, obok geometrii parametrów metrycznych, są teoria mnogości , teoria systemów , teoria grafów .

Morfologia ogólna

Klasyczne formy tradycyjne wywodziły się z geometrii euklidesowej i można je było opisać za pomocą geometrii euklidesowej, na przykład w odniesieniu do kartezjańskiego trydera (jedna prostopadła oś dla trzech „wymiarów”). Formy te mogą mieć realizacje materialne (kostki, kulki..). Jednak wielu obiektów naturalnych nie można w zadowalający sposób opisać za pomocą geometrii euklidesowej. Wiele z nich to np. fraktale ( Mandelbrot , 1983), ponieważ są rozgałęzione, mają dziury, są zbyt kruche itp. W ich przypadku trzy wymiary nie są już połączone liniowo. Dotyczy to w szczególności powierzchni i objętości. Jak już podkreślił Stevens (1974), pewien wzorzec morfologiczny może oferować konkretne korzyści. Przykład można podać z dwóch skrajności, gdzie powierzchnia obiektów ma fundamentalne znaczenie. Powierzchnia jest miejscem wymiany przedmiotów między wnętrzem a zewnętrzem. W przypadku, gdy bardziej korzystna jest minimalna wymiana, wybiera się na ogół kształt jajowaty (takie jak jaja, ziarna, owoce, walenie itp. z kulą jako idealną granicą), co dla danej objętości ogranicza powierzchnię do minimum. Gdy wymiana jest fundamentalna ważna powierzchnia jest niezbędna przy minimalnych kosztach materiałowych. Rozgałęzienie binarne znacznie zwiększa powierzchnię bez zwiększania znacznie objętości materii. Dotyczy to drzew roślinnych oraz układu naczyniowego, płucnego i moczowego. Układ nerwowy można postrzegać jako system wymiany między emitującymi i odbierającymi binarnymi arborizacjami, oferujący ogromny zakres kombinatoryczny.

Identyfikacja i klasyfikacja

Jednym z problemów neuromorfologii jest to, że nie musi ona opisywać jednego obiektu, mózgu, ale przeciętny mózg. Uzasadnia to szerokie wykorzystanie statystyk.

Tyner (1975) oraz Rowe i Stone (1977) przeanalizowali podstawy pojęciowe, których należy przestrzegać w procesie klasyfikacji neuronów. Podkreślali konieczność rozdzielenia klasyfikacji i identyfikacji.

Klasyfikacje muszą opierać się na technikach wieloczynnikowych i być hierarchiczne (zgodnie z dwustuletnią taksonomią zwierząt). Kiedy dokonano wielu nazewnictwa lub identyfikacji cech somy, stało się jasne, że tylko ilościowe badanie kompletnych arboryzacji dendrytycznych było w stanie zaoferować środki dla neutralnej taksonomii neuronów. Szczególny rodzaj grupy neuronów w zlokalizowanej części mózgu u jednego gatunku zwierząt nazywany jest gatunkiem neuronalnym. Kiedy neurony o mniej więcej tej samej morfologii obserwuje się w tym samym miejscu u innego gatunku zwierząt, jest to rodzaj neuronów. Istnieją również rodziny neuronów i tak dalej. Na przykład kolczaste neurony prążkowia makaka to jeden gatunek. Wraz z człowiekiem i/lub innymi gatunkami tworzą rodzaj. Porównania statystyczne pozwalają analizować, co pozostało takie samo lub co zmieniło się w ewolucji.

Wychodząc od obiektywnie zdefiniowanych neuronów, możliwe stało się konstytuowanie zbiorów neuronowych.

Zestawy neuronowe

Zestawy

„Teoria mnogości leży u podstaw praktycznie każdej gałęzi matematyki” (Kahn, 1995). Wielkie zmiany w sposobie analizowania i rozumowania przyniosła teoria mnogości. Zaczyna się od prostych pojęć. Na przykład „zbiór to zbiór elementów” (Kahn, 1995), który jest intuicyjny i nie wymaga demonstracji. Elementy mają wspólną cechę bycia członkami zbioru. Konkretny zbiór jest zdefiniowany przez wspólne właściwości jego elementów. Rodzi to problemy podobieństw i wreszcie typologii i klasyfikacji.

Zestawy neuronowe

Zestawy neuronalne mogą być zestawami całych neuronów lub części neuronów.

Systemy neuronowe

Nasza zdolność myślenia, reagowania i zapamiętywania zależy od funkcji układu nerwowego. Nie możemy zrozumieć ludzkiego mózgu bez uprzedniego wyjaśnienia właściwości i funkcji jego głównych elementów jednostkowych, neuronów.

Są to złożone i wyspecjalizowane komórki. Jednak lepsze zrozumienie ewolucji komórkowej osiągnięte w ciągu ostatnich kilku lat ujawniło, że nawet najbardziej wyrafinowane i unikalne właściwości komórek nerwowych stanowią adaptację podstawowych funkcji obserwowanych we wszystkich komórkach eukariotycznych, w tym organizmach jednokomórkowych. W ten sposób neurobiologia komórkowa stała się ważnym rozdziałem biologii komórki. Badania neuronów w dużym stopniu wykorzystują postęp w podstawowej biologii komórki. I odwrotnie, badania nad wyspecjalizowanymi cechami neuronów powodują poważne wypadki w innych obszarach biologii. Projekty neurobiologii komórkowej prowadzone w Zakładzie koncentrują się na mechanizmach ruchu błonowego w synapsie, rozwoju i utrzymaniu polaryzacji komórek oraz mechanizmach odpowiedzialnych za heterogeniczne rozmieszczenie organelli i makrocząsteczek w cytoplazmie neuronu. Badane jest również powstawanie i plastyczność synaps. Zgodnie z tradycją katedry do zagadnień z tych dziedzin podchodzi się w sposób multidyscyplinarny z wykorzystaniem genetyki, biochemii białek i lipidów, biologii molekularnej oraz najnowocześniejszych technik obrazowania w mikroskopie świetlnym i elektronowym. Systemy eksperymentalne obejmują modele mysie, hodowane neurony, duże modelowe synapsy, izolowane preparaty synaptyczne i systemy bezkomórkowe. Szczególny nacisk kładzie się na interfejsy między tymi podstawowymi badaniami a chorobą.

• Boutot, A. (1993) Wynalazek form. Jakub. Paryż
• D'Arcy Thompson (1942) O wzroście i formie. 2 tom. Uniwersytet Cambridge Naciskać. Cambridge
• Mandelbrot, B. (1983) Fraktalna geometria natury. Obywatel. Nowy Jork. 3d. wyd
• Ramon y Cajal, S. (1911) Histologie du système nerwux de l'homme et des kręgów. Maloine. Paryż 2 tom.
• Rowe MH i Stone, J. (1977) Nazewnictwo neuronów. Klasyfikacja i nazewnictwo neuronów komórek zwojowych siatkówki kota. Zachowanie mózgu. ewolucja 14: 185-216
• Stevens, PS (1974) Wzory w przyrodzie. mały brąz
• Tyner, CF (1975) Nazewnictwo neuronów. Zastosowania teorii taksonomicznej do badania populacji komórkowej. Zachowanie mózgu. ewolucja 12:75-96