Нейроны ищут связи: фундаментальный принцип работы мозга

Нейроны, помещенные в культуру in vitro (в стекле), действительно демонстрируют удивительную способность — они начинают активно искать контакты друг с другом, формируя функциональные сети. Этот процесс не случаен и не хаотичен, он подчиняется строгим биологическим законам и лежит в основе работы всей нервной системы.

Принцип Хебба: "Нейроны, которые стреляются вместе, соединяются вместе"

Фундаментальное правило, объясняющее этот феномен, было сформулировано канадским психологом Дональдом Хеббом еще в 1949 году. Оно гласит: "Нейроны, которые стреляются вместе, соединяются вместе" (англ. "fire together, wire together") . Это означает, что чем чаще два нейрона активируются одновременно, тем сильнее становится синаптическая связь между ними. И наоборот, связи, которые не используются, ослабевают и со временем исчезают.

В культуре ткани, лишенной внешних стимулов, нейроны спонтанно генерируют электрическую активность. Эта активность запускает каскад молекулярных событий, укрепляющих формирующиеся контакты.

Самоорганизация как основа нейросетей

Исследования физиков и нейробиологов из Чикагского университета показали, что формирование связей между нейронами подчиняется общим принципам построения сетей и самоорганизации, а не только жесткой генетической программе . В любой нейронной сети со временем устанавливается распределение связей, при котором небольшое количество соединений становятся очень сильными, а большинство остаются слабыми. Такая архитектура (статистически описываемая как распределение с "тяжелым хвостом") оптимальна для обработки информации .

Избирательность соединений: контакты "по назначению"

Однако стремление к связям не означает хаотичного соединения со всеми подряд. Нейроны проявляют удивительную избирательность. Исследователи из Sainsbury Wellcome Centre обнаружили, что в зрительной коре нейроны, отправляющие сигналы в одну и ту же область мозга (например, в антеролатеральную зону), активно соединяются друг с другом. Но при этом они избегают образования связей с соседними нейронами, которые проецируются в другую область (заднемедиальную), даже если эти клетки расположены буквально рядом и реагируют на те же визуальные стимулы .

Такая избирательность предотвращает перекрестные помехи между разными информационными каналами и обеспечивает параллельную обработку различных потоков данных в мозге.

Молекулярные механизмы поиска и закрепления связей

На молекулярном уровне процесс поиска связей выглядит как постоянная готовность к контакту. Нейроны непрерывно формируют на своей поверхности особые структуры — дендритные шипики, своеобразные "заготовки" под будущие синапсы . Этот процесс происходит постоянно, независимо от наличия внешних стимулов.

Ключевую роль в превращении такой "заготовки" в рабочий синапс играет белок CPG15. Когда к нейрону поступает сигнал от соседней клетки, CPG15 активируется именно в тех шипиках, которые должны закрепить этот контакт. Он привлекает другой белок — PSD95, который служит платформой для сборки полноценного синапса . Шипики, не получившие "подкрепления" в виде сигналов и активации CPG15, просто исчезают.

Биологический смысл: надежность передачи информации

Зачем нейронам нужно постоянно искать новые связи и отбрасывать старые? Ответ дало компьютерное моделирование, проведенное в Институте биологических исследований Солка. Оказалось, что для надежной передачи сигнала важна не столько частота импульсов, сколько их синхронность. Модель показала, что для чрезвычайно надежной передачи информации достаточно одновременной активации всего около 30 синапсов из 6000 .

Таким образом, постоянный поиск и формирование новых контактов — это способ мозга создавать избыточность связей, из которой затем отбираются наиболее эффективные комбинации для кодирования и передачи информации. Это свойство, называемое нейропластичностью, позволяет нервной системе адаптироваться к новому опыту, обучаться и восстанавливаться после повреждений .

Когда мы помещаем нейроны в культуру, мы наблюдаем этот фундаментальный процесс в действии: клетки, лишенные привычного окружения, реализуют свою врожденную программу — ищут партнеров, формируют сети и начинают обмениваться информацией, подчиняясь древним законам самоорганизации живой материи.

Источник: vk.com

Комментарии: