(PhysOrg.com) – Нейроны сложны, но основная функциональная концепция заключается в том, что синапсы передают электрические сигналы дендритам и телу клетки (вход), а аксоны уносят сигналы (выход). В одном из многих неожиданных открытий ученые Северо-Западного университета обнаружили, что аксоны могут работать в обратном направлении: они также могут посылать сигналы телу клетки.
Также выяснилось, что аксоны могут разговаривать друг с другом. Перед отправкой сигналов в обратном направлении аксоны могут выполнять свои собственные нейронные вычисления без какого-либо участия тела клетки или дендритов. Это противоречит типичной нейронной коммуникации, когда аксон одного нейрона контактирует с дендритом или телом клетки другого нейрона, а не с его аксоном. И, в отличие от вычислений, выполняемых в дендритах, вычисления, выполняемые в аксонах, в тысячи раз медленнее, потенциально создавая средства для нейронов для вычисления быстрых вещей в дендритах и медленных вещей в аксонах.
Более глубокое понимание того, как работает нормальный нейрон, имеет решающее значение для ученых, изучающих неврологические заболевания, такие как эпилепсия, аутизм, болезнь Альцгеймера и шизофрения.
Результаты опубликованы в февральском номере журнала Nature Neuroscience.
"Мы обнаружили ряд вещей, лежащих в основе работы нейронов, которые противоречат информации, которую вы найдете в учебниках по нейробиологии," сказал Нельсон Спрастон, старший автор статьи и профессор нейробиологии и физиологии в Вайнбергском колледже искусств и наук. "Сигналы могут распространяться от конца аксона к телу клетки, когда обычно бывает наоборот. Мы были поражены, увидев это."
Он и его коллеги впервые обнаружили, что отдельные нервные клетки могут передавать сигналы даже при отсутствии электрических стимуляций в теле клетки или дендритах. Это не всегда стимул, а потенциал немедленного действия – нет. (Потенциалы действия являются основными электрическими сигнальными элементами, используемыми нейронами; они представляют собой очень краткие изменения мембранного напряжения нейрона.)
Подобно нашей рабочей памяти, когда мы запоминаем телефонный номер для последующего использования, нервная клетка может хранить и интегрировать стимулы в течение длительного периода времени, от десятков секунд до минут. (Это очень долгий срок для нейронов.) Затем, когда нейрон достигает порога, он запускает длинную серию сигналов или потенциалов действия, даже при отсутствии стимулов. Исследователи называют это постоянным возбуждением, и, похоже, все это происходит в аксоне.
Спрастон и его команда стимулировали нейрон в течение одной-двух минут, обеспечивая стимул каждые 10 секунд. Нейрон сработал в это время, но когда стимуляция была остановлена, нейрон продолжал срабатывать еще минуту.
"Очень необычно думать, что нейрон может непрерывно срабатывать без стимулов," Спрастон сказал. "Это что-то новое – нейрон может интегрировать информацию в течение длительного периода времени, дольше, чем типичная скорость работы нейронов, которая составляет от миллисекунд до секунды."
Эта уникальная функция нейронов может иметь отношение к нормальным процессам, таким как память, но она также может иметь отношение к болезни. Постоянное возбуждение этих тормозных нейронов может противодействовать гиперактивным состояниям в мозгу, например предотвращать неконтролируемое возбуждение, которое происходит во время эпилептических припадков.
Спрастон приписывает открытие постоянной активности нормальных отдельных нейронов проницательному наблюдению Марка Шеффилда, аспиранта в своей лаборатории. Шеффилд – первый автор статьи.
Исследователи думают, что другие видели это постоянное возбуждение в нейронах, но отклонили его как что-то не так с записью сигнала. Когда Шеффилд увидел возбуждение в нейронах, которые он изучал, он подождал, пока он не прекратится. Затем он стимулировал нейрон в течение определенного периода времени, прекращал стимуляцию и затем наблюдал, как нейрон сработал позже.
"Эта клеточная память – новинка," Спрастон сказал. "Нейрон реагирует на историю того, что с ним произошло за минуту или около того до этого."
Спрастон и Шеффилд обнаружили, что клеточная память хранится в аксоне, а потенциал действия генерируется дальше по аксону, чем они ожидали. Вместо того, чтобы находиться рядом с телом клетки, это происходит ближе к концу аксона.
Их исследования отдельных нейронов (из гиппокампа и неокортекса мышей) привели к экспериментам с несколькими нейронами, что, возможно, стало самым большим сюрпризом из всех. Исследователи обнаружили, что один аксон может разговаривать с другим. Они стимулировали один нейрон и обнаружили постоянное возбуждение в другом нестимулированном нейроне. В этом общении не участвовали дендриты или клеточные тела.
"Аксоны разговаривают друг с другом, но как это работает, остается загадкой," Спрастон сказал. "Следующий большой вопрос: насколько распространено такое поведение?? Это странность или это происходит во многих нейронах?? Мы не думаем, что это редкость, поэтому нам важно понимать, при каких условиях это происходит и как это происходит."