Большинство нейронов имеют множество ответвлений, называемых дендритами, которые получают входные данные от тысяч других нейронов. Однако дендриты – это не просто пассивные носители информации. Согласно новому исследованию Массачусетского технологического института, они, по-видимому, играют удивительно большую роль в способности нейронов преобразовывать поступающие сигналы в электрическую активность.
Нейробиологи ранее подозревали, что дендриты могут быть активными лишь изредка, при определенных обстоятельствах, но команда Массачусетского технологического института обнаружила, что дендриты почти всегда активны, когда активна основная клетка нейрона.
"Кажется, что дендритные шипы являются неотъемлемой частью того, как нейроны в нашем мозгу могут вычислять информацию. Это не редкость," говорит Лу Больё-Ларош, аспирант Массачусетского технологического института и ведущий автор исследования. "Все нейроны, на которые мы смотрели, имели эти дендритные шипы, и они очень часто имели дендритные шипы."
Полученные данные свидетельствуют о том, что роль дендритов в вычислительной способности мозга намного больше, чем предполагалось ранее, говорит Марк Харнетт, доцент кафедры мозговых и когнитивных наук Фреда и Кэрол Миддлтон, член Института Макговерна. Brain Research и старший автор статьи.
"Это действительно совсем не то, что думали об этом," он говорит. "Это свидетельство того, что дендриты активно участвуют в производстве и формировании выходных сигналов нейронов."
Аспирант Энрике Толоза и технический специалист Норма Браун также являются авторами статьи, которая появится в Neuron 6 июня.
"Широкая антенна"
Дендриты получают входные данные от многих других нейронов и передают эти сигналы в тело клетки, также называемое сомой. При достаточной стимуляции нейрон генерирует потенциал действия – электрический импульс, который распространяется на другие нейроны. Большие сети этих нейронов взаимодействуют друг с другом для выполнения сложных когнитивных задач, таких как воспроизведение речи.
Благодаря визуализации и электрической записи нейробиологи многое узнали об анатомических и функциональных различиях между разными типами нейронов в коре головного мозга, но мало что известно о том, как они включают дендритные входы и решают, запускать ли потенциал действия. Дендриты придают нейронам характерную форму ветвящегося дерева и размер "дендритная ветвь" намного превышает размер сомы.
"Это огромная разветвленная антенна, которая слушает тысячи синаптических входов, распределенных в пространстве вдоль этой разветвленной структуры от всех других нейронов в сети," Харнетт говорит.
Некоторые нейробиологи выдвинули гипотезу, что дендриты активны лишь в редких случаях, в то время как другие считали возможным, что дендриты играют более центральную роль в общей активности нейронов. По словам Харнетта, до сих пор было трудно проверить, какая из этих идей более точна.
Чтобы изучить роль дендритов в нейронных вычислениях, команда MIT использовала визуализацию кальция для одновременного измерения активности как сомы, так и дендритов отдельных нейронов в зрительной коре головного мозга. Кальций поступает в нейроны, когда они электрически активны, поэтому это измерение позволило исследователям сравнить активность дендритов и сомы одного и того же нейрона. Визуализация производилась, пока мыши выполняли простые задачи, такие как бег на беговой дорожке или просмотр фильма.
Неожиданно исследователи обнаружили, что активность в соме сильно коррелировала с активностью дендритов. То есть, когда сома определенного нейрона была активна, дендриты этого нейрона также были активны большую часть времени. По словам Харнетта, это было особенно удивительно, потому что животные не выполняли никаких интеллектуальных задач.
"Они не были вовлечены в задачу, в которой они должны были действительно выполнять и задействовать когнитивные процессы или память. Это довольно простая обработка на низком уровне, и у нас уже есть доказательства активной дендритной обработки почти во всех нейронах," он говорит. "Мы были очень удивлены, увидев, что."
Развивающиеся модели
Исследователи еще не знают точно, как дендритный вход влияет на общую активность нейронов или что именно делают нейроны, которые они изучали.
"Мы знаем, что некоторые из этих нейронов реагируют на некоторые визуальные стимулы, но мы не обязательно знаем, что представляют собой эти отдельные нейроны. Все, что мы можем сказать, это то, что что бы ни представлял нейрон, дендриты активно участвуют в этом," Больё-Ларош говорит.
Теперь они планируют исследовать, как дендритная активность влияет на общую нейронную функцию, манипулируя активностью дендритов, а затем измеряя, как она влияет на активность тела клетки, говорит Харнетт. Они также планируют изучить, развиваются ли наблюдаемые ими модели активности по мере того, как животные осваивают новую задачу.
"Одна из гипотез состоит в том, что дендритная активность на самом деле обострится, чтобы представить особенности задачи, которой вы научили животных, а вся остальная дендритная активность и вся другая соматическая активность будет подавляться в остальных корковых клетках, которые не участвует," Харнетт говорит.