Простые математические вычисления лежат в основе мозговых цепей

Изображение нейронов, окрашенных по Гольджи, в зубчатой ​​извилине больного эпилепсией. Изображение: wikipedia / MethoxyRoxy

(Medical Xpress) – Мозг состоит из миллиардов нейронов, организованных в сложные цепи, которые позволяют нам воспринимать мир, контролировать свои движения и принимать решения. Расшифровка этих цепей имеет решающее значение для понимания того, как работает мозг и что не так при неврологических расстройствах.

Нейробиологи Массачусетского технологического института сделали важный шаг к этой цели. В новой газете, появившейся в августе. В 9 выпуске журнала Nature они сообщают, что два основных класса клеток мозга подавляют нейронную активность определенными математическими способами: один тип вычитает из общей активации, а другой разделяет ее.

"Это очень простые, но глубокие вычисления," говорит Мриганка Сур, Пол Э. Ньютон, профессор нейробиологии и старший автор статьи в журнале Nature. "Основная задача нейробиологии – концептуализировать огромные объемы данных в рамках, которые можно поместить на язык вычислений. Было загадкой, как эти разные типы клеток достигают этого."

Полученные данные могут помочь ученым узнать больше о заболеваниях, которые, как считается, вызваны дисбалансом торможения и возбуждения мозга, включая аутизм, шизофрению и биполярное расстройство.

Ведущие авторы статьи – аспирантка Кэролайн Раньян и постдок Натан Уилсон. Фореа Ван ’11, которая участвовала в этой работе в качестве студента Массачусетского технологического института, также является автором статьи.

Прекрасный баланс

В мозгу есть сотни различных типов нейронов; большинство из них являются возбуждающими, а меньшая часть – тормозящими. Вся сенсорная обработка и когнитивные функции возникают из тонкого баланса между этими двумя влияниями. Дисбаланс возбуждения и торможения связывают с шизофренией и аутизмом.

"Появляется все больше свидетельств того, что изменения возбуждения и торможения лежат в основе многих подгрупп нервно-психических расстройств," говорит Сур, который также является директором Саймонса Центра социального мозга в Массачусетском технологическом институте. "Это имеет смысл, потому что это не фундаментальные нарушения, лежащие в основе построения мозга. Это тонкие нарушения в мозговых цепях, и они влияют на очень определенные системы мозга, такие как социальный мозг."

В новом исследовании Nature исследователи исследовали два основных класса тормозных нейронов. Один из них, известный как интернейроны, экспрессирующие парвальбумин (PV), нацелен на клеточные тела нейронов. Другой, известный как соматостатин-экспрессирующие (SOM) интернейроны, нацелен на дендриты ?? небольшие разветвленные выступы других нейронов. И PV, и SOM-клетки подавляют тип нейронов, известный как пирамидные клетки.

Чтобы изучить, как эти нейроны оказывают свое влияние, исследователи должны были разработать способ специфической активации нейронов PV или SOM, а затем наблюдать за реакциями целевых пирамидных клеток в живом мозге.

Во-первых, исследователи генетически запрограммировали клетки PV или SOM у мышей на производство светочувствительного белка, называемого каналомродопсином. Будучи встроенным в клеточные мембраны нейронов, каналродопсин контролирует поток ионов в нейроны и из них, изменяя их электрическую активность. Это позволяет исследователям стимулировать нейроны, направляя на них свет.

Команда объединила это с визуализацией кальция внутри пирамидных клеток-мишеней. Уровни кальция отражают электрическую активность клетки, что позволяет исследователям определить, какая активность подавлялась тормозящими клетками.

"Примерно до трех лет назад вы могли просто слепо записывать из любой клетки, с которой вы столкнулись в мозгу, но теперь мы можем нацелить нашу запись и наши манипуляции на четко определенные классы клеток," Рунян говорит.

Разбор цепи

В этом исследовании исследователи хотели увидеть, как активация этих тормозных нейронов повлияет на то, как мозг обрабатывает визуальные данные? в этом случае горизонтальные, вертикальные или наклонные стержни. При предъявлении такого стимула отдельные клетки глаза реагируют на световые точки, а затем передают эту информацию в таламус, который передает ее в зрительную кору. Информация остается пространственно закодированной при прохождении через мозг, поэтому горизонтальная полоса активирует соответствующие ряды клеток в мозгу.

Эти клетки также получают тормозящие сигналы, которые помогают настроить их реакцию и предотвратить чрезмерную стимуляцию. Команда MIT обнаружила, что эти ингибирующие сигналы имеют два различных эффекта: ингибирование нейронами SOM вычитается из общего количества активности в клетках-мишенях, в то время как ингибирование нейронами PV делит общее количество активности в клетках-мишенях.

"Теперь, когда у нас наконец есть технология для разборки схемы, мы можем увидеть, что делает каждый из компонентов, и мы обнаружили, что может быть глубокая логика того, как эти сети спроектированы естественным образом," Уилсон говорит.

Эти два типа ингибирования также по-разному влияют на диапазон клеточных ответов. Каждый сенсорный нейрон реагирует только на определенный набор стимулов, например на диапазон яркости или местоположение. Когда активность делится на ингибирование PV, целевая клетка по-прежнему реагирует на тот же диапазон входных сигналов. Однако при вычитании посредством ингибирования SOM диапазон входных сигналов, на которые будут реагировать клетки, сужается, что делает клетку более избирательной.

Повышенное торможение нейронами PV также изменяет черту, известную как усиление ответа ?? измерение того, насколько клетки реагируют на изменение контраста. Ингибирование нейронами SOM не влияет на усиление ответа.

Исследователи полагают, что этот тип схемы, вероятно, повторяется во всем мозге и участвует в других типах сенсорного восприятия, а также в высших когнитивных функциях.

Лаборатория Сура теперь планирует изучить роль ингибирующих нейронов PV и SOM в модели аутизма у мышей. У этих мышей отсутствует ген под названием MeCP2, вызывающий синдром Ретта, редкое заболевание, которое вызывает симптомы, похожие на аутизм, а также другие неврологические и физические нарушения. Используя свою новую технологию, исследователи планируют проверить гипотезу о том, что в основе болезни лежит отсутствие ингибирования нейронов.

Бурятия Онлайн