«Внезапно оказалось, что вычислительная мощность мозга намного больше, чем мы думали», — сказал Спенсер Смит, доктор философии, доцент Медицинской школы UNC.
Результаты его команды, опубликованные 27 октября в журнале Nature, могут изменить отношение ученых к давним научным моделям функционирования нейронных цепей в головном мозге, а также помочь исследователям лучше понять неврологические расстройства.
«Представьте, что вы реконструируете часть инопланетной технологии, и то, что вы считали простой схемой подключения, оказалось транзисторами, которые вычисляют информацию», — сказал Смит. "Вот на что похожа эта находка. О последствиях интересно думать."
Аксоны — это то место, где нейроны обычно генерируют электрические спайки, но многие из тех же молекул, которые поддерживают аксональные спайки, также присутствуют в дендритах. Предыдущие исследования с использованием рассеченной мозговой ткани продемонстрировали, что дендриты могут использовать эти молекулы для генерации электрических импульсов, но было неясно, участвует ли нормальная активность мозга в этих дендритных выбросах.
Например, могут ли дендритные шипы влиять на то, как мы видим?
Команда Смита пришла к выводу, что да. Дендриты эффективно действуют как мини-нейронные компьютеры, активно обрабатывая входные сигналы нейронов.
Для прямой демонстрации этого потребовалась серия сложных экспериментов, которые длились годами и охватили два континента, начиная с лаборатории Майкла Хауссера в Университетском колледже Лондона и заканчивая после того, как Смит и Икуко Смит, доктора философии, DVM, создали свою собственную лабораторию в университете.
Северной Каролины. Они использовали электрофизиологию патч-зажима, чтобы прикрепить микроскопический стеклянный электрод-пипетку, заполненный физиологическим раствором, к нейрональному дендриту в мозгу мыши.
Идея заключалась в том, чтобы напрямую «подслушивать» процесс передачи электрических сигналов.
«Прикрепить пипетку к дендриту чрезвычайно сложно с технической точки зрения», — сказал Смит. "К дендриту нельзя приближаться ни с какой стороны. И вы не видите дендрит. Так что вы должны делать это вслепую.
Это похоже на рыбалку, если все, что вы видите, — это электрические следы рыбы."И ты не можешь использовать наживку. «Просто сделай это и посмотри, сможешь ли ты ударить дендрит», — сказал он. "В большинстве случаев вы не можете."
Но Смит построил свою собственную систему двухфотонного микроскопа, чтобы упростить задачу.
После того, как пипетка была прикреплена к дендриту, команда Смита взяла электрические записи отдельных дендритов в мозгу анестезированных и бодрствующих мышей. Когда мыши просматривали визуальные стимулы на экране компьютера, исследователи увидели необычный паттерн электрических сигналов — всплески шипов — в дендрите.
Затем команда Смита обнаружила, что дендритные спайки возникали выборочно, в зависимости от зрительного стимула, что указывает на то, что дендриты обрабатывали информацию о том, что видело животное.
Чтобы предоставить визуальное подтверждение своих открытий, команда Смита заполнила нейроны кальциевым красителем, который обеспечил оптическое считывание пиков.
Это показало, что дендриты генерируют спайки, в то время как другие части нейрона — нет, а это означает, что спайки были результатом локальной обработки внутри дендритов.
Соавтор исследования Тиаго Бранко, доктор философии, создал биофизическую математическую модель нейронов и обнаружил, что известные механизмы могут поддерживать дендритные выбросы, зарегистрированные электрически, что дополнительно подтверждает интерпретацию данных.
«Все данные указывают на один и тот же вывод», — сказал Смит. "Дендриты не являются пассивными интеграторами сенсорной информации; они, кажется, также являются вычислительной единицей."
Его команда планирует изучить, какую роль эта недавно обнаруженная дендритная роль может играть в мозговых цепях, особенно при таких состояниях, как синдром Тимоти, при котором интеграция дендритных сигналов может идти наперекосяк.
Соавторами исследования были Икуко Смит, PhD, DVM, Тиаго Бранко, PhD, и Майкл Хауссер, PhD.
Эта работа была поддержана долгосрочной стипендией и премией за развитие карьеры от Human Frontier Science Program, а также стипендией Клингенштейна для S. Смит, стипендиат Хелен Линг Уайт для I. Смит, Фонд Wellcome Trust и Стипендия Королевского общества, а также Совет по медицинским исследованиям (Великобритания) поддерживают T. Бранко, а также гранты Wellcome Trust, Европейского исследовательского совета и благотворительного фонда Гэтсби для M. Хауссер.