Спешка и расточительство на нейронных путях

Исследователи из отдела биосистемы и инженерии ETH Zurich смогли измерить скорость передачи нейронного сигнала по сегментам одиночных аксонов в культурах нейронов с помощью электрического метода высокого разрешения. Биоинженеры сейчас ищут правдоподобные объяснения больших вариаций скорости проводимости.

Чтобы написать этот небольшой фрагмент текста, мозг посылает команды рукам и пальцам для нажатия на клавиатуре. Нейронные клетки с их кабелеподобными расширениями, такими как аксоны, передают эту информацию в виде электрических импульсов, которые заставляют мышцы двигаться. Скорость аксонального сигнала может достигать 100 м / с в миелинизированных аксонах вдоль спинного мозга.

Долгое время ученые предполагали, что передача сигнала по аксонам в основном цифровая: либо есть сигнал, "1", или нет сигнала, "0".

Сильные колебания скорости распространения

Теперь группа исследователей под руководством Дугласа Баккума и Андреаса Хирлеманна из отдела BSSE ETH Zurich в Базеле представляет доказательства того, что аксоны могут быть больше, чем просто передача цифрового сигнала. Они могли напрямую измерить и продемонстрировать, что скорость аксонального сигнала значительно варьируется в разных сегментах одного и того же аксона, разместив сотни электродов вдоль аксона. Более того, картина скорости менялась день ото дня или в течение нескольких часов, как и морфология и положение аксона.

Точное значение этих вариаций скорости и их происхождение пока не могут быть объяснены, поскольку имеется слишком мало информации об аксональной проводимости. В значительной степени это может быть следствием крошечного диаметра аксонов. Длина аксона может быть больше метра, е.грамм., в спинном мозге, но средний диаметр составляет от 80 нм до нескольких микрометров. Этот малый диаметр затрудняет любое измерение аксональных потенциалов, что, конечно, также затрудняет создание механизмов, которые могут вызывать большие изменения скорости.

Неясная причина

На данный момент существуют только гипотезы относительно этих вариаций скорости. Временные характеристики аксональной проводимости могут составлять часть общих возможностей обработки информации ансамблей нейронов или способствовать адаптации нейронов к новой информации. Исследовательская группа планирует продолжить изучение этих эффектов в сотрудничестве с исследователями из других дисциплин и исследовательскими учреждениями, которые обладают дополнительными знаниями и технологиями.

Соответствующая исследовательская работа также поддерживается за счет 5-летнего гранта ERC Advanced Grant Hierlemann и гранта Bakkum SNF Ambizione, присужденного в 2010/2011 гг. Однако исследователи не ожидают быстрого выяснения вариаций скорости аксонов. Учитывая небольшие размеры аксонов, вероятно, потребуются годы, чтобы собрать убедительные доказательства.

До сих пор подробное и длительное исследование сигналов ансамблей нейронов и их аксонов было маловероятным. Исследовательская группа D-BSSE в течение последних 10 лет посвятила много времени и усилий разработке микроэлектронных чипов с высоким разрешением, содержащих тысячи микроэлектродов. Опубликованные в настоящее время подробные и точные измерения скорости распространения аксонов вознаграждают ученых за их инвестиции и подтверждают подход. "Мы надеемся получить важные новые доказательства с помощью нашей технологии," они заявляют. Другие технологии еще не обеспечили достаточно высокого пространственно-временного разрешения, чтобы характеризовать детали проведения аксонального сигнала.

Разработан чип высокого разрешения

Микроэлектродная матрица исследовательской группы BSSE имеет 11000 электродов на очень небольшой площади (3150 электродов на квадратный миллиметр), которые регистрируют или стимулируют нейронные клетки или ансамбли. Данные от 126 произвольно выбираемых электродов могут быть одновременно записаны с помощью специально разработанных встроенных микроэлектронных схем. Нейронные клетки растут непосредственно на схемных блоках на микроэлектронном чипе, который изготовлен по промышленной технологии комплементарных оксидов металлов и полупроводников (CMOS). Сигналы, проходящие по аксонам нейронов, могут быть измерены и локализованы с высоким пространственным и временным разрешением благодаря небольшому диаметру электродов и малому расстоянию между электродами. Кроме того, электроды могут использоваться для стимуляции отдельных аксонов с целью вызвать потенциалы действия, которые распространяются обратно в соответствующее тело клетки или сому и вызывают там потенциалы действия.

По его мнению, сообщество нейробиологов в течение довольно долгого времени недооценивало потенциал массивов микроэлектродов, – говорит профессор. Hierlemann. С работой, опубликованной сейчас в "Nature Communications", он надеется и дальше внедрить этот метод. "Эти результаты показывают, что технология массива микроэлектродов обеспечивает доступ к данным, которые в настоящее время недоступны с помощью других технологий," говорит биоинженер.

Нейроны, аксоны и распространение сигналов

Нервные клетки или нейроны общаются с другими нейронами посредством электрических и химических сигналов. Если электрический сигнал внутри тела клетки, рядом с начальным сегментом аксона, достаточно велик, он входит в аксон и распространяется по его длине с высокой скоростью. Это достигается за счет изменения так называемого потенциала покоя мембраны аксона, который обычно имеет устойчивое отрицательное значение. Каналы для ионов натрия открываются, и из-за градиента концентрации положительно заряженные ионы натрия извне аксона перемещаются в аксон. Как следствие, мембранный потенциал ненадолго меняет полярность до тех пор, пока калиевые каналы не откроются и положительно заряженные ионы калия не высвободятся во внешнюю жидкость. Это кратковременное изменение мембранного потенциала, так называемый потенциал действия, можно обнаружить с помощью микросхемы матрицы микроэлектродов. Потенциал действия распространяется без ослабления в синапсы, соединения нейронов с нейронами, где электрический сигнал преобразуется в химический сигнал: нейромедиаторы высвобождаются, диффундируют через небольшую синаптическую щель и инициируют электрическую активность в соседней постсинаптической клетке. После события потенциала действия исходные концентрации ионов натрия и калия снаружи и внутри аксональной мембраны и связанный с ними потенциал покоя через мембрану восстанавливаются с помощью мембранных насосов. Общая продолжительность события потенциального действия составляет порядка 2 миллисекунд.

4 комментария к “Спешка и расточительство на нейронных путях”

  1. Выискивал конспект в Яндексе, и набрел на такую вэб-страницу. Малость информации по моей проблеме доклада собрал. Хотелось бы поболее, да и на этом благодарность!

Оставьте комментарий