МОЗЪКЪТ Е ДЕСЕТ ПЪТИ ПО-АКТИВЕН, ОТКОЛКОТО СЕ СМЯТАШЕ ДОСЕГА

Credit: Shelley Halpain/UC San Diego
Credit: Shelley Halpain/UC San Diego

Изследването акцентира върху структурата и функцията на дендритите, които са компоненти на невроните (нервните клетки в мозъка). Невроните са големи, подобни на дървета структури, които имат тяло (наречено сома) и множество израстъци, които се простират навън (наречени дендрити). Сомата генерира кратки електрически импулси, чрез които комуникира с другите неврони. Учените досега считаха, че соматични импулси активират дендритите, които пък от своя страна пасивно предават тези получени сигнали към телата на други неврони. Този процес е основата за това как се формират и съхраняват спомените.

Учените считаха до този момент, че именно пасивното предаване на сигнали е основната роля на дендритите.

Група учени от Университета в Калифорния (UCLA), обаче, откриха, че дендритите са повече от пасивни проводници. Изследването показва, че дендритите са електрически активни при животни, които се движат свободно и по този начин се генерират почти 10 пъти повече импулси (spikes), отколкото в сомата. Това откритие поставя под съмнение утвърденото схващане, че импулсите в сомата са в основата на сформирането на възприятието, знанията и паметта.

„Дендритите заемат повече от 90% от невронната тъкан“, казва неврофизикът Маянк Мехта от UCLA, старши автор на изследването. „Откритието, че те са по-активни от сомата, фундаментално променя нашето разбиране за това как мозъкът изчислява информацията. Това разбиране би могло да отвори врати към разбирането и лекуването на неврологични заболявания, както и към изобретяването на компютри, използвайки за образец човешкия мозък.“

Учените смятаха досега, че дендритите смирено пращат сигналите, които получават от клетъчните синапси (кръстопътите между два неврона) към тялото (сома) на неврона и че по този начин се генерира електрически импулс. Тези кратки електрически експлозии, известни като соматични импулси, се считаха досега за сърцевината на процесите на изчисляване и натрупване на знания в неврона. Новото изследване, обаче, показва, че дендритите генерират свои собствени импулси 10 пъти по-често, отколкото сомата.


РЕКЛАМА:

***

Изследователите също така откриха, че дендритите генерират големи колебания във волтажа в допълнение към импулсите; импулсите са от двоичната система, тип „всичко или нищо“ събитие. (Бел. прев.: Принципът „всичко или нищо“ при нервните и мускулните клетки означава, че ако сигналът превишава прага на активация на потенциала, клетката ще откликне изцяло на сигнала, докато в противен случай няма. Това означава, че клетката ще е чувствителна към сигнала, независимо от неговата сила, при споменатото горе условие.)

Телата на невроните генерират само тип „всичко или нищо“ импулси, подобно на дигиталните компютри. В допълнение към този тип импулси, дендритите генерират и големи, бавно вариращи волтажи, които са дори по-големи от импулсите, което предполага, че дендритите извършват аналогови изчисления.

„Открихме, че дендритите са хибриди, които могат да извършват аналогови и дигитални изчисления, което ги прави фундаментално различни от чисто дигиталните компютри и някак подобни на квантовите компютри, които са аналогови“ – казва Мехта, професор по физика и астрономия, неврология и невробиология. „Фундаментално схващане в невронауката е идеята, че невроните са дигитални устройства. Те или произвеждат импулс, или не. Тези резултати показват, че дендритите не се държат изцяло като дигитално устройство. Те генерират дигитални, „всичко или нищо“ импулси, но също така и големи аналогови флуктуации, които не работят на този принцип. Това е огромно отклонение от това, в което вярваха учените по невронауки в продължение на 60 години.“

Тъй като дендритите са почти 100 пъти по-големи от невронните центрове, големият брой на дендритни импулси може да означава, че мозъкът има поне 100 пъти по-голям капацитет на изчисляване, отколкото се е смятало досега.

Скорошни изследвания с резени от мозъка показват, че дендритите могат да генерират импулси. Не става ясно, обаче, дали това може да се случи при естествени условия, или колко често. Измерването на електрическата активност по време на нормално поведение отдавна е предизвикателство, заради деликатността си: в изследвания с лабораторни мишки, учените откриват, че поставянето на електроди в дендритите по време на движение всъщност убива клетките. Но UCLA поставят електродите в близост до дендритите, а не в тях.

Благодарение на този подход учените измерват дейността на дендритите до 4 дни при плъхове, които са се движили свободно в голям лабиринт. При тези измервания в задната париетална кора, частта от мозъка, която играе роля в планирането на движенията, изследователите откриват значително повече дейност при дендритите, в сравнение със сомата. Близо 5 пъти повече импулси са генерирани, когато плъховете са спали, и 10 пъти повече, когато са разузнавали терена.

„Много предишни модели допускат, че процесът на учене се случва, когато телата на два неврона са активни по едно и също време“, казва Джейсън Мур, постдокторант в UCLA и главен автор на изследването. „Нашите открития показват, че процесът на учене се случва, когато приемащият неврон е активен по същото време, когато и дендритът е активен – възможно е различни части от дендритите да са активни по различни времена, което предполага доста по-голяма гъвкавост на процеса на учене в един единствен неврон.“

Взирането се в сомата, за да разберем как мозъкът работи, е довело до поставянето на множество медицински и научни въпроси – от диагностика и лечение на заболявания до направата на компютри. Но Мехта казва, че тази рамка е базирана на разбирането, че тялото на неврона взима решенията и че процесът е дигитален.

„Нашето изследване показва, че тези решения се взимат много по-често в дендритите и че изчисленията не са само дигитални, но и аналогови. Изследванията досега изцяло бяха фокусирани върху сомата. Но ние открихме тайния живот на невроните, този в простиращите се нервни израстъци. Нашите резултати значително променят разбирането ни за това как невроните изчисляват“, казва Мехта.

Превод: Росица Майсторова

Източник: Science Daily


Европейска нощ на учените 2022 г.: