Физика

Физики опровергают 100-летнее предположение о том, как работают клетки мозга

Человеческий мозг содержит чуть более 80 с лишним миллиардов нейронов , каждый из которых соединяется с другими клетками, создавая триллионы соединений, называемых синапсами.

Цифры ошеломляют, но способ, которым каждая отдельная нервная клетка вносит вклад в функции мозга, все еще остается предметом споров.

Фактически, исследование, опубликованное в 2017 году, опровергло 100-летнее предположение о том, что именно делает нейрон «огнем», создавая новые механизмы, лежащие в основе некоторых неврологических расстройств.

Команда физиков из Университета Бар-Илан в Израиле провела эксперименты на нейронах крысы, выращенных в культуре, чтобы точно определить, как нейрон реагирует на сигналы, которые он получает от других клеток.

Чтобы понять, почему это важно, нам нужно вернуться к 1907 году, когда французский нейробиолог по имени Луи Лапик предложил модель, описывающую, как напряжение мембраны нервной клетки увеличивается при приложении тока.

Достигнув определенного порога, нейрон реагирует со всплеском активности, после чего напряжение мембраны сбрасывается.

Это означает, что нейрон не отправит сообщение, если не соберет достаточно сильный сигнал.

Уравнения Лапика были далеко не последним словом по этому вопросу. Но основной принцип его модели «интегрируй и стреляй» в последующих описаниях оставался относительно беспроблемным, и сегодня он составляет основу большинства вычислительных схем нейронов.

По словам исследователей, длительная история этой идеи означала, что мало кто удосужился усомниться в ее точности.

«Мы пришли к такому выводу, используя новую экспериментальную установку, но в принципе эти результаты могли быть обнаружены с использованием технологии, существующей с 1980-х годов», - сказал ведущий исследователь Идо Кантер в то время.

«Вера, которая укоренилась в научном мире в течение 100 лет, привела к этой задержке на несколько десятилетий».

Эксперименты подошли к этому вопросу с двух сторон: один изучал природу всплеска активности, основанную именно на том, где ток был приложен к нейрону, а другой рассматривал влияние нескольких входов на нервное возбуждение.

Их результаты предполагают, что направление полученного сигнала может иметь все значение в том, как реагирует нейрон.

Слабый сигнал слева, поступающий со слабым сигналом справа, не будет объединяться, чтобы создать напряжение, вызывающее всплеск активности. Но один сильный сигнал от определенного направления может привести к сообщению.

Этот потенциально новый способ описания того, что известно как пространственное суммирование, может привести к новому методу классификации нейронов, который сортирует их на основе того, как они вычисляют входящие сигналы или насколько хорошо их разрешение, на основе определенного направления.

А еще лучше, что это может даже привести к открытиям, которые объясняют определенные неврологические расстройства.

Важно не выбрасывать вековую мудрость на заднюю часть отдельного исследования. Исследователи также признают, что они рассматривали только тип нервных клеток, называемых пирамидными нейронами, оставляя достаточно места для будущих экспериментов.

Но точная настройка нашего понимания того, как отдельные единицы объединяются для создания сложного поведения, может распространиться и на другие области исследований. С нейронными сетями, вдохновляющими будущие вычислительные технологии, выявление любых новых талантов в клетках мозга может иметь довольно интересные приложения.

Это исследование было опубликовано в Scientific Reports.

Версия этой статьи была впервые опубликована в декабре 2017 года.

Back to top button