Новообнаруженные взаимодействующие реакции передачи информации в ЦНС

Ученые обнаружили уникальную форму обмена сообщениями между клетками в человеческом мозге, которая раньше не наблюдалась.

Захватывающе, открытие намекает, что наш мозг может быть даже более мощными вычислительными единицами, чем мы думали.

Исследователи из институтов в Германии и Греции обнаружили механизм во внешних клетках коры головного мозга, который самостоятельно генерирует новый «градуированный» сигнал, который может дать отдельным нейронам другой способ выполнять свои логические функции.

Измеряя электрическую активность в срезах ткани, удаленной во время операции на пациентах с эпилепсией, и анализируя их структуру с помощью флуоресцентной микроскопии, неврологи обнаружили, что отдельные клетки в коре использовали не только обычные ионы натрия для «огня», но и кальций.

Эта комбинация положительно заряженных ионов запускает волны напряжения, которые ранее никогда не наблюдались, называемые опосредованными кальцием потенциалами дендритного действия, или dCaAPs.

Мозги, особенно человеческие, часто сравнивают с компьютерами. Аналогия имеет свои пределы, но на некоторых уровнях они выполняют задачи аналогичным образом.

Оба используют мощность электрического напряжения для выполнения различных операций. В компьютерах это происходит в виде довольно простого потока электронов через пересечения, называемые транзисторами.

В нейронах сигнал находится в форме волны открывающихся и закрывающихся каналов, которые обмениваются заряженными частицами, такими как натрий, хлорид и калий. Этот импульс протекающих ионов называется потенциалом действия.

Вместо транзисторов нейроны управляют этими сообщениями химически в конце ветвей, называемых дендритами.

«Дендриты играют центральную роль в понимании мозга, потому что они лежат в основе того, что определяет вычислительную мощность отдельных нейронов», - сказал нейробиолог Университета Гумбольдта Мэтью Ларкум Уолтеру Беквиту из Американской ассоциации развития науки.

Дендриты являются светофорами нашей нервной системы. Если потенциал действия достаточно велик, его можно передать другим нервам, которые могут блокировать или передавать сообщение.

Это логическая основа нашего мозга - пульсации напряжения, которые могут передаваться коллективно в двух формах: либо сообщение AND (если инициируются x и y, сообщение передается); или сообщение ИЛИ (если сработал x или y, сообщение передается).

Возможно, нигде это не является более сложным, чем в плотном, морщинистом наружном отделе центральной нервной системы человека; кора головного мозга. Более глубокие второй и третий слои особенно толстые, заполнены ветвями, которые выполняют функции высокого порядка, которые мы связываем с ощущением, мыслью и управлением двигателем.

Исследователи внимательно изучили ткани этих слоев, подключив клетки к устройству, называемому соматодендритным пластырем, для отправки активных потенциалов вверх и вниз по каждому нейрону, записывая их сигналы.

«Был момент« эврика », когда мы впервые увидели потенциалы дендритного действия, - сказал Ларкум.

Чтобы гарантировать, что любые открытия не были уникальными для людей с эпилепсией, они дважды проверили свои результаты в горстке образцов, взятых из опухолей головного мозга.

В то время как команда проводила подобные эксперименты на крысах, виды сигналов, которые они наблюдали, жужжащие сквозь клетки человека, были очень разными.

Что еще более важно, когда они дозировали клетки блокатором натриевых каналов, называемым тетродотоксином, они все еще находили сигнал. Только блокируя кальций, все замолкали.

Найти потенциал действия, опосредованный кальцием, достаточно интересно. Но моделирование работы этого чувствительного нового типа сигнала в коре выявило неожиданность.

В дополнение к логическим функциям AND и OR, эти отдельные нейроны могут действовать как «исключительные» пересечения OR (XOR), которые разрешают сигнал только тогда, когда другой сигнал оценивается определенным образом.

«Традиционно считается, что операция XOR требует сетевого решения», - пишут исследователи.

Необходимо проделать дополнительную работу, чтобы увидеть, как dCaAP ведут себя во всех нейронах и в живой системе. Не говоря уже о том, является ли это человеческим существом, или подобные механизмы возникли где-то еще в животном мире.

Технологии также обращаются к нашей собственной нервной системе за вдохновением в разработке более совершенного оборудования; зная, что у наших собственных отдельных ячеек есть еще несколько хитростей, их рукава могут привести к новым путям к сетевым транзисторам.

Как именно этот новый логический инструмент, сжатый в единственную нервную клетку, превращается в более высокие функции, - вопрос для будущих исследователей.

Это исследование было опубликовано в журнале Science.

Комментарии: