ΝΙΚΟΛΕΤΤΑ ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ ΑΜ: 4906 ΑΚ. ΕΤΟΣ : ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

The Connectome of a Decision-Making Neural Network Science July 2012

ΤΙ ΘΕΛΕΙ ΝΑ ΠΕΙ Ο ΠΟΙΗΤΗΣ;;;;;;; CONNECTOME: ΔΙΚΤΥΟ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ ΝΕΥΡΩΝΩΝ ΕΡΕΥΝΑ: ανάλυση της δομής των συνδέσεων μεταξύ των νευρώνων, για τη λήψη συγκεκριμένων αποφάσεων Πειραματόζωο : Caenorhabditis elegans Συμπεριφορά που μελετήθηκε: Αναπαραγωγή

Συμπερασμα Ορισμός νευρικού υποστρώματος για τη διαδικασία ζευγαρώματος Αναγνώριση των τάξεων νευρώνων και των λειτουργιών τους Η τοπολογία ( οριοθέτηση ) του δικτύου των συνδέσεων συμβάλλει στον έλεγχο του σήματος που προκύπτει από τη συγκεκριμένη συμπεριφορά Ένα βήμα πιο κοντά στον προσδιορισμό αντίστοιχων δικτύων στον άνθρωπο

ONE STEP AT A TIME ( ξεκινάμε με τα απλά) ΝΕΥΡΩΝΑΣ Κύτταρο, δομική και λειτουργική μονάδα ΝΣ ΔΕΝ λειτουργεί μόνος του Δέχεται ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ σήματα, τα μεταφέρει ως ΧΗΜΙΚΑ ( σε άλλους νευρώνες) Ο εγκέφαλος αποτελείται από εκατομμύρια νευρώνες

ΧΗΜΙΚΕΣ VS ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ( ΜΕΣΟΚΥΤΤΑΡΙΕΣ) ΣΥΝΑΨΕΙΣ ΧΗΜΙΚΕΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ 1. αποτελούν την πλειοψηφία 1. μειοψηφία 2. όχι άμεση μεταφορά ιόντων 2. ροή ιόντων μεταξύ προ- και μεταξύ προ- και μετα- μετα- συναπτικών μεμβρανών συναπτικών κυττάρων 3. ροή μέσα από μεσοκυττάρια 3. ροή ιόντων σε απόκκριση παθητικά κανάλια έκκρισης νευροδιαβιβαστών, μετασυναπτικοί δίαυλοι

ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΧΗΜΙΚΕΣ

ΠΩΣ ΠΡΟΚΥΠΤΕΙ ΤΟ CONNECTOME..??? ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΝΕΥΡΩΝΩΝ ΔΙΣΕΚΑΤΟΜΜΥΡΙΑ ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ CONNECTOME

ΜΕΛΕΤΗ CONNECTOME.. ΓΝΩΣΗ CONNECTOME ΓΝΩΣΕΙΣ ΓΙΑ ΕΓΚΕΦΑΛΟ ΜΕΛΕΤΗ ΜΕΣΩ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟΥ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΣΥΝΑΨΕΩΝ ( ΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΝΕΥΡΩΝΩΝ) ΠΩΣ? ΤΙΣ ΨΙΛΙΑΖΟΜΑΣΤΕ ΑΠΌ ΤΙΣ ΣΥΝΑΘΡΟΙΣΕΙΣ ΚΥΣΤΙΔΙΩΝ ΝΕΥΡΟΔΙΑΒΙΒΑΣΤΩΝ ΠΡΟΒΛΗΜΑ??? ΤΟ Η.Μ ΑΠΟΚΑΛΥΠΤΕΙ ΜΙΚΡΟ ΤΜΗΜΑ ΤΟΥ CONNECTOME

ΚΑΠΟΥ ΕΔΩ ΕΜΦΑΝΙΖΕΤΑΙ Η C. ELEGANS  TI EINAI?? νηματοειδής σκώληκας πρότυπος οργανισμός  ΓΙΑΤΙ ΕΠΙΛΕΧΘΗΚΕ??? Εξαιρετικά απλός οργανισμός Διακρίνεται σε 2 είδη ερμαφρόδιτη : 302 νευρώνες αρσενική : 383 νευρώνες 81 extra νευρώνες για το male

ΕΠΙΠΛΕΟΝ TIPS ΓΙΑ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΖΩΟ ΜΑΣ.. Οι περισσότεροι από τους extra νευρώνες στο male φαίνεται ότι εμπλέκονται στο ζευγάρωμα Μέχρι τώρα είχε προσδιορισθεί μόνο το connectome του ερμαφρόδιτου Η C. elegans εκφράζει ένα πλούσιο ρεπερτόριο συμπεριφοράς μεγάλο ποσοστό του οποίου αφορά τη σεξουαλική συμπεριφορά Η έρευνα επικεντρώθηκε στο οπίσθιο μισό τμήμα του ΝΣ Εκεί εντοπίζονται κυκλώματα και τελικά όργανα που αφορούν τη διαδικασία ζευγαρώματος

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΖΕΥΓΑΡΩΜΑΤΟΣ..

Το male πρέπει να είναι γρήγορο.... Η όλη διαδικασία απαιτεί ταχύτητα ( <1s) Επειδή το ερμαφρόδιτο δεν συνεργάζεται και μπορεί ακόμα και να αντισταθεί στο ζευγάρωμα Το Οπίσθιο ΝΣ αξιολογεί πολλαπλά περιβαλλοντικά δεδομένα, πραγματοποιεί ταχεία επιλογή συμπεριφοράς και αντιδρά ανάλογα

ΟΠΙΣΘΙΟ ΜΙΣΟ ΝΕΥΡΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ.... Εκεί συναντάμε 170 νευρώνες ( 81 male specific) 64 μύες ( 40 male specific) 144/170 νευρώνες καταλήγουν σε αισθητήρια όργανα άμεσα σχετιζόμενα με το ζευγάρωμα

MAP OF NEURAL CONNECTIONS ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΝΕΥΡΩΝΩΝ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΩΝ ΤΥΠΩΝ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ ΑΠΟΣΤΑΣΕΩΝ ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟΥ- PC BASED ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ

ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ Ο.Ν.Σ. ΜΕΣΩ ΣΕΙΡΙΑΚΩΝ ΤΟΜΩΝ Η.Μ.

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΕΥΡΙΚΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ.....!!!!

Οι 144 νευρώνες, 64 μυς και οι γονάδες, που συμμετέχουν στα κυκλώματα ζευγαρώματος, συνδέονται μεταξύ τους τόσο με χημικές όσο και με μεσοκυττάριες συνάψεις. Επιπλέον συνάψεις εμφανίζονται και στην υποδερμίδα. ( υποδόριο ιστό)

ΥΠΟΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΓΡΑΦΗΜΑΤΟΣ ΓΡΑΦΗΜΑ CONNECTOME ΑΜΕΣΟ: νευρώνες, μυς, γονάδες και τις μεταξύ τους χημικές συνδέσεις Νευρώνες και τις μεσοκυττάριες συνδέσεις τους Μυς και τις μεσοκυττάριες συνδέσεις τους Μικρός δικτυακός κόσμος

ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΠΟΥ ΠΡΟΕΚΥΨΑΝ.... Το CONNECTOME του male εμφανίζει 2 χαρακτηριστικά ΥΨΗΛΟ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗ ΟΜΑΔΟΠΟΙΗΣΗ Σ ( > 0.3) ΜΙΚΡΟ ΜΗΚΟΣ ΔΙΑΔΡΟΜΗΣ ( < 3 ΒΗΜΑΤΑ)

ΑΣ ΤΑ ΕΞΕΤΑΣΟΥΜΕ... Α. ΥΨΗΛΟΣ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ : δηλώνει επικοινωνία νευρώνων μεταξύ τους, δηλαδή αν 2 νευρώνες συνδέονται με έναν κοινό τρίτο τότε θα συνδέονται και μεταξύ τους. Β. ΜΙΚΡΟ ΜΗΚΟΣ ΔΙΑΔΡΟΜΗΣ: δηλώνει ταχεία επικοινωνία Τα αντίστοιχα μεγέθη για την ερμαφρόδιτη είναι : Α. 0.22, Β. 3,48 βήματα

ΓΡΑΦΙΚΕΣ ΠΑΡΑΣΤΑΣΕΙΣ... Για την ανάλυση της δομής του connectome χρησιμοποιήθηκαν θεωρίες των γραφικών παραστάσεων. ΓΙΑ ΝΑ ΚΑΤΑΛΑΒΟΥΜΕ ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΙ : 1. Γραφική παράσταση ( στο σύνολο της ) : connectome 2. Κορυφές : νευρώνες, μυς 3. Συνδέσεις κορυφών : συνάψεις ( σύνολο) ( links, edges) Αυτά τα edges, links μπορεί να είναι κατευθυνόμενα ( εάν αντιπροσωπεύουν χημικές συνάψεις ή διορθωμένες μεσοκυττάριες συνάψεις ) ή μη κατευθυνόμενα εάν αντιπροσωπεύουν μη διορθωμένες μεσοκυττάριες συνάψεις)

ΜΑ ΔΕΝ ΤΕΛΕΙΩΣΑΜΕ  Κάθε νευρώνας έχει ισχυρούς και ασθενείς συναπτικούς partners  Το επόμενο βήμα μετά τον εντοπισμό των συνάψεων ήταν να εξεταστεί εάν όλες οι συνάψεις είναι εξίσου σημαντικές.  Το ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ήταν ότι οι ασθενείς συνάψεις μεταφέρουν το μισό φορτίο όπως φάνηκε από τα αντίστοιχα γραφήματα.  Με άλλα λόγια αν όχι όλες, ένα σημαντικό ποσοστό των ασθενέστερων συνδέσεων δεν είναι τυχαίες ( για αυτό συμπεριλήφθηκαν όλες οι συνάψεις στην έρευνα) ** δεν μπορεί να γίνει διάκριση ανάμεσα σε διεργετική και ανασταλτική χημική σύναψη με το ηλ. μικροσκόπιο

ΑΣ ΞΑΝΑΘΥΜΗΘΟΥΜΕ ΤΟ ΓΡΑΦΗΜΑ

ΣΥΝΟΠΤΙΚΑ ΓΙΑ ΤΟ ΓΡΑΦΗΜΑ... Κάθε κορυφή έχει πολλούς γείτονες ( Α) Υπάρχει ποικιλία τόσο στον αριθμό των συνάψεων μεταξύ των ζευγών όσο και στο μέγεθος των συνάψεων ( Β) Κάθε νευρώνας έχει τόσο ισχυρούς όσο και ασθενείς συναπτικούς εταίρους ( C ) Οι ασθενείς συνάψεις σημαντικό ποσοστό του φορτίου ( D )

ΡΟΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ.... Μετά από τη μελέτη τόσο του αριθμού των συνδέσεων όσο και της δύναμης τους προέκυψαν τα διαγράμματα που θα αναλυθούν στη συνέχεια και αφορούν τη ΡΟΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ

ΥΠΟΘΕΤΙΚΗ ΡΟΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ( ΟΠΙΣΘΙΟ Ν.Σ.) Αισθητικό ερέθισμα Αισθητικοί νευρώνες Κίνηση Κινητικό σύστημα Α. ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΣΠΕΡΜΑΤΟΣ Β. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΘΕΣΗΣ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΟ ΕΡΜΑΦΡΟΔΙΤΟ ΕΝΔΟΝΕΥΡΩΝΕΣ ΤΥΠΟΥ Ι

ΥΠΟΘΕΤΙΚΗ ΡΟΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ( ΟΠΙΣΘΙΟ Ν.Σ.) Αισθητικό ερέθισμα Αισθητικοί νευρώνες ΓΟΝΑΔΕΣ ΕΝΔΟΝΕΥΡΩΝΕΣ ΤΥΠΟΥ Ι ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΣΠΕΡΜΑΤΟΣ, ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΘΕΣΗΣ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΕΡΜΑΦΡΟΔΙΤΟ

INFO... Η πλειονότητα της πληροφορίας ρέει μέσα από μονοσυναπτικά μονοπάτια Υπάρχει ένα σύστημα 32 νευρώνων : ενδονευρώνες Ενδονευρώνες : έχουν σημαντικές εξόδους σε άλλους νευρώνες ( κινητικούς) και σχηματίζουν νευρομυικές συνάψεις Η ροή πληροφορίας στα τελικά όργανα μέσω ενδονευρώνων γίνεται σε δισυναπτικά μονοπάτια οπότε ΤΟ ΔΙΚΤΥΟ ΕΧΕΙ ΕΠΑΝΑΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ

ΕΝΔΟΝΕΥΡΩΝΕΣ ΤΥΠΟΥ Ι ( ΠΟΡΕΙΕΣ ΣΗΜΑΤΟΣ)

ΕΝΔΟΝΕΥΡΩΝΕΣ ΤΥΠΟΥ Ι Τύπου Ιa  14 νευρώνες σε 6 τάξεις Τύπου Ib Τύπου Ic Ισχυρή ανατροφοδοτική ι. 10 νευρωνες, 3 τάξεις ι. 7 νευρώνες, 2 τάξεις ροή ιι. αντίκτυπο σε Ia ιι. Συνδεδεμένο με:  έξοδος κυρίως σε ιιι. ανατροφοδοτεί Α. αισθητικούς ν. κυρίως αισθητικούς Β. Ια Γονάδες ή νευρώνες Γ. Τελικά όργανα τελικά όργανα ή και στα 2 ΕΝΔΟΝΕΥΡΩΝΕΣ Ι

ΚΙ ΆΛΛΕΣ ΠΟΡΕΙΕΣ Π.Ν.Σ ΠΡΟΣΘΙΟ ΝΕΥΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΔΟΝΕΥΡΩΝΕΣ ΤΥΠΟΥ ΙΙ ΑΙΣΘΗΤΙΚΟΙ ΝΕΥΡΩΝΕΣ ΕΝΔΟΝΕΥΡΩΝΕΣ ΤΥΠΟΥ Ι Ο.Ν.Σ

ΕΝΔΟΝΕΥΡΩΝΕΣ ΤΥΠΟΥ ΙΙ ΕΝΔΟΝΕΥΡΩΝΕΣ ΤΥΠΟΥ ΙΙ: 12 ΝΕΥΡΩΝΕΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΟΥΝ ΜΕ νευρώνες τελικά όργανα πρόσθιο νευρικό σύστημα Η αναζήτηση συντρόφου γίνεται με τους EF1, EF2, EF3 τύπου ΙΙ ενδονευρώνες μέσω του πρόσθιου Ν.Σ. Στο οπίσθιο Ν.Σ αντιδρούν κυρίως με νευρώνες

ΕΠΑΝΑΛΗΨΙΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ FEEDFORWARD LOOPS

ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗ ΣΥΝΔΕΣΙΜΟΤΗΤΑ ΟΙ 52 αισθητήριοι νευρώνες είναι αμοιβαία και περιοδικά συνδεδεμένοι μεταξύ τους τόσο με χημικές όσο και με μεσοκυττάριες συνάψεις 49% σημάτων χημικών συνάψεων αισθητικών νευρώνων βρίσκονται πάνω σε άλλους αισθητικούς νευρώνες ερέθισμα 7 φορές πιο αποτελεσματικοί στην ανατροφοδότηση τύπου Ib και Ic ενδονευρώνων 58% των μεσοκυττάριων συνδέσεων των αισθητικών νευρώνων είναι μαζί με άλλους αισθητικούς νευρώνες

ΡΟΛΟΣ FEEDFORWARD LOOP 1. ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΩΝ ΣΤΑ ΤΕΛΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ 2. ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΑΙ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΤΩΝ ΚΙΝΗΣΕΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΗ 3. ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ ΜΕΤΑΞΥ ΤΩΝ F. L. ΕΧΕΙ ΚΑΙ ΆΛΛΟ????

ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗ ΣΥΝΔΕΣΙΜΟΤΗΤΑ Αμοιβαία και επαναληπτική συνδεσιμότητα αισθητικών νευρώνων Ανατροφοδοτικοί βρόγχοι ( θηλειές) Ενίσχυση εισερχόμενων ερεθισμάτων Σπονδύλωση των αισθητικών νευρώνων δείχνει ότι τα αισθητικά ερεθίσματα μπορεί να οδηγήσουν το δίκτυο σε διακριτές λειτουργίες της αυτοενισχυόμενης δραστηριότητας κάθε μία σχετιζόμενη με διαφορετικό στάδιο της διαδικασίας ζευγαρώματος

ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ  Το ζευγάρωμα είναι μία περίπλοκη συμπεριφορά  Το αρσενικό εμφανίζει 30% extra νευρώνες σε σχέση με το ερμαφρόδιτο  Σωστά κατανεμημένη και επαναλαμβανόμενη συνδεσιμότητα  Οι αισθητικές πληροφορίες είναι συγκεντρωμένες σε 3 επίπεδα 1. επίπεδο επαναλαμβανόμενης συνδεσιμότητας 2. τελικά όργανα, δέχονται πολλαπλά ερεθίσματα 3. ενδονευρώνες  Η ροή πληροφορίας μέσα από παράλληλες οδούς ευρωστία δικτύου

ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ  Το δίκτυο μπορεί να έχει ελκτικές δυνάμεις Ελκτικές δυνάμεις Απότομες μεταβάσεις σήματος δικτύου Αλλαγή συμπεριφοράς αποδοτικότητα και οικονομία  feedforward loops ( Ia, Ib) αρχιτεκτονική perceptron τεχνικό νευρικό δίκτυο  η συμπεριφορά του male στο ζευγάρωμα είναι γενετικά καθορισμένη ( δεξιά-αριστερά ομόλογα, διμορφισμός συγκεκριμένων κοινών νευρώνων)

ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ  Η διανομή δυνάμεων συνδεσιμότητας υποδηλώνει μηχανισμό στον οποίο κάθε ζεύγος κυττάρων έχει μια γενετικά καθορισμένη πιθανότητα να σχηματίσει σύναψη.  Μικρές εξελικτικές αλλαγές σε αυτές τις πιθανότητες θα επιτρέψουν σταδιακή εξέλιξη της δομικής συνδεσιμότητας και επέκταση της λειτουργίας και συμπεροφοράς του δικτύου.

THE end ! ! ! ΕΥΧΑΡΙΣΤΩ ΠΟΛΥ ΓΙΑ ΤΟ ΧΡΟΝΟ ΣΑΣ !!!! ΚΑΙ ΝΑ ΘΥΜΑΣΤΕ