Ученые обнаружили новую форму «клеточного общения»

Международная команда ученых из Греции и Германии нашла в кортикальных клетках, располагающихся на поверхности коры головного мозга, механизм, который самостоятельно генерирует новый «градуированный» сигнал. Это может дать отдельным нейронам другой способ выполнять свои логические функции. Статья об этом опубликована в журнале Science.

Мозг нередко сравнивают с компьютером. Это очень грубая аналогия, но при описании того, как работает передача сигнала внутри мозга, она до известной степени имеет право на жизнь. И тот, и другой используют силу электрического напряжения для выполнения различных операций. 

В компьютерах это происходит более простым способом: поток электронов проходит через транзисторы, своего рода «пульты управления» током в цепи. В нейронах сигнал передается с помощью мембранных каналов, которые обмениваются ионами таких элементов, как натрий, хлор и калий. Этот импульс называется потенциалом действия. 

При активации от нейрона к его соседу через синапс идут ионы натрия: так происходит передача сигнала. Однако, как оказалось, у мозга еще есть сюрпризы для ученых. Исследователи проверили электрическую активность в образцах мозговой ткани, полученных при оперировании пациентов с эпилепсией. Анализируя структуру этих срезов с помощью флуоресцентной микроскопии, они увидели, что отдельные нейроны коры при активации обменивались ионами кальция.

Оказалось, таким образом запускаются ранее не регистрировавшиеся мозговые волны — опосредованные кальцием потенциалы дендритного действия (dCaAP). Чтобы убедиться, что это не погрешность при измерении, не случайность и не уникальная особенность тканей людей, больных эпилепсией, авторы статьи дважды проверили результаты на других тканях коры — срезах опухолей головного мозга.

Кроме того, использование блокатора натриевых каналов не приводило к полному прекращению обмена сигналами: окончательной «тишины в эфире» удавалось добиться только при блокировке и натрия, и кальция.

Что это означает? Если продолжать аналогию с компьютером, то вместо транзисторов мозг использует дендриты — ветвистые отростки нейронов. Чем более «развесист» дендрит, тем больше информации он может обработать. «Дендриты играют центральную роль в понимании мозга, так как лежат в основе того, что определяет вычислительную мощность отдельных нейронов», — объясняет нейробиолог Мэтью Ларкум. 

Дендриты — своего рода «светофор» на пути следования нервных импульсов. Если потенциал действия достаточно велик, происходит активация следующих нейронов, которые далее могут блокировать или передавать сообщение, а если нет — активация не происходит. Это логический фундамент работы нашего мозга: всплески напряжения обеспечивают передачу информации посредством логических команд типа AND (если инициируются и x, и y, сигнал передается) и OR (для передачи сигнала должен инициироваться x или y).

Вдобавок к логическим функциям типа И/ИЛИ эти нейроны могут генерировать логические команды типа XOR («исключающие ИЛИ»), которые дают возможность одному сигналу пойти дальше по цепочке нейронов, если другой сигнал соответствует определенным условиям. «Ранее принято было считать, что XOR-операции требуют сетевых решений», — объясняют ученые.

Чтобы убедиться в том, что нейроны действительно ведут себя именно так, исследователи воспользовались методом фиксации потенциала, называемым соматодендритным патч-клэмпом. Он заключается в установлении тесного контакта отполированного стеклянного микроэлектрода с единичным нейроном (его дендритом) и отведении с него потенциала. Это позволило изучить ткани глубоких (второго и третьего) слоев коры. Именно здесь находится биологическая основа психических функций высокого порядка, которые связаны с ощущениями, мышлением и управлением движением. Устройство помогло увидеть потенциалы дендритов и записать сигналы, передаваемые отдельными нейронами при активации. 

Необходимы дополнительные исследования, чтобы выяснить, как dCaAP проявляют себя во всех нейронах и в живой системе в целом. Кроме того, еще не известно, уникальны ли такие сигналы для человека или они появились намного раньше на пути эволюции. 

В любом случае это открытие может принести массу пользы как применительно к вопросам изучения и лечения головного мозга, в том числе проблем высших функций, так и в качестве вдохновляющего примера для инженеров. Возможно, новые открытия конструктивных возможностей мозга помогут в работе над созданием новых устройств.