Пирамидальные нейроны в 3D

Исследователи создали детализированную 3D-модель пирамидных клеток неокортекса, используя анатомические данные, полученные от человеческих клеток. Статья опубликована в eLife.

«Продвинутые» когнитивные возможности человеческого мозга часто приписываются недавно развившейся новой коре — неокортексу. Сравнение мозга человека и грызуна показывает, что человеческая кора тоньше, содержит больше белого вещества, имеет крупные нейроны и богата пирамидными клетками (раньше называемыми «психическими»), имеющими больше синаптических соединений по сравнению с нейронами мозга грызунов. Как бы то ни было, учёные должны определить, есть ли важные различия на биофизическом уровне основных «кирпичиков» человеческого неокортекса — пирамидных нейронов. Обеспечивают ли эти клетки уникальные биофизические возможности, которые могут повлиять на кортикальные расчеты?

Чтобы ответить на этот вопрос, теоретическая команда, возглавляемая профессором Иданом Сегевом (Idan Segev) из Еврейского универститета Иерусалима, работая с коллегами-экспериментаторами в  Свободном университете Амстердама и Институте Кахаля в Мадриде построила детализированную 3D-модель пирамидных клеток височной коры человека. Это первая детальная модель человеческих нейронов, основанная на внутриклеточных физиологических и анатомических данных от человеческих клеток, полученная in vitro.

Чтобы собрать эти данные, авторы статьи получили свежую корковую ткань после операций на мозге в нейрохирургическом отделении в Амстердаме,  дополнительные данные были получены из исследований пирамидных клеток на световом микроскопе из посмертных исследований в Институте Кахаля в Мадриде.

Теоретическое исследование предсказывало, что слой из ? пирамидных нейронов височной коры будет иметь определенную мембранную ёмкость, равную половине от обычно принимаемого «универсального» значения для биологических мембран (~0.5 ?F/сm² против ~1 ?F/cm²). Так как мембранная ёмкость влияет на то, как быстро клетка может ответить на свой синаптический вход, эта находка имеет важное значение для передачи сигнала внутри и между клетками. Теоретическое предсказание относительно определенной мембранной ёмкости было тогда экспериментально доказано прямыми измерениями мембранной ёмкости в человеческих пирамидных нейронах.

«Это первое прямое доказательство уникальности электрических возможностей человеческих нейронов, — говорит исследователь Гай Эял.  — Наши находки показывают, что низкая мембранная ёмкость значительно улучшает эффективность обработки сигнала и скорость коммуникации между корковыми нейронами и внутри них в коре головного мозга человека, по сравнению с грызунами».

«Результаты этой работы подразумевают, что корковые нейроны человека являются эффективными электрическими чипами, компенсируя больший мозг и крупные клетки у людей, и обрабатывая сенсорную информацию эффективнее, —  говорит профессор Идан Сегев. — Действительно, исследование показывает, что уже на уровне отдельных стандартных блоков нервной системы (нервные клетки), люди отличны по сравнению с грызунами. В этом направлении должно быть выполнено больше исследований на приматах».

Исследователи предполагают, что отличительные биофизические мембранные свойства человеческих пирамидных нейронов являются результатом эволюционного давления, чтобы компенсировать увеличение размера и расстояния в человеческом мозге.

Текст: Асват Валиева

Unique membrane properties and enhanced signal processing in human neocortical neurons” by Guy Eyal, Matthijs B Verhoog, Guilherme Testa-Silva, Yair Deitcher, Johannes C Lodder, Ruth Benavides-Piccione, Juan Morales, Javier DeFelipe, Christiaan PJ de Kock, Huibert D Mansvelder, and Idan Segev in eLife. Published online October 6 2016 doi:10.7554/eLife.16553