Размер синапсов определяет силу передачи информации
Нервные клетки связаны друг с другом через синапсы. Нейробиологи из Университета Цюриха и швейцарской высшей технической школой Цюриха (ETH Zurich) обнаружили, что эти связи, судя по всему, гораздо более сильные, чем считалось ранее. Чем больше синапс, тем сильнее сигнал, который он передает. Эти новые данные позволят лучше понять, как функционирует мозг и как возникают неврологические расстройства.
Неокортекс - это часть мозга, которую человек использует для обработки сенсорных впечатлений, хранения воспоминаний, передачи мышцам инструкций и планирования. Эти вычислительные процессы возможны, потому что каждая нервная клетка – это очень сложный миниатюрный компьютер, который взаимодействует примерно с 10 000 других нейронов. Эта связь происходит через специальные соединители, называемые синапсами.
Чем больше синапс, тем сильнее его сигнал
Исследователи лаборатории Кевана Мартина в Институте нейроинформатики Цюрихского университета (UZH) и ETH Цюриха впервые показали, что размер синапсов определяет силу их передачи информации.
“Более крупные синапсы способствуют более сильным электрическим импульсам. Открытие этой связи закрывает ключевой пробел в неврологии. Оно также имеет решающее значение для развития нашего понимания того, как информация проходит по участкам нашего мозга, и, следовательно, того, как работает мозг”, - Кеван Мартин, Институт нейроинформатики, Университет Цюриха (UZH).
Воссоздание связей между нервными клетками неокортекса
В первую очередь неврологи приступили к измерению силы синаптических токов между двумя соединенными нервными клетками. Для этого они подготовили тонкие участки мозга мыши и под микроскопом вставили стеклянные микроэлектроды в две соседние нервные клетки неокортекса. Это позволило исследователям искусственно активировать одну из нервных клеток и одновременно измерить силу полученного синаптического импульса в другой клетке. Они также ввели контраст в два нейрона для воссоздания их разветвленных клеточных процессов в трех измерениях под оптическим микроскопом.
Отношение размера синапса с силой сигнала
Поскольку синапсы настолько малы, ученые использовали высокое разрешение электронного микроскопа, чтобы иметь возможность достоверно определить и точно измерить точки контакта нейронов. Во-первых, при применении оптического микроскопа они отметили все точки контакта между клеточными процессами активированного нейрона, который передавал сигнал, и клеточными процессами нейрона, который получал синаптический импульс. Затем они определили весь синапс между двумя нервными клетками под электронным микроскопом. Они соотнесли размеры этого синапса с синаптическими импульсами, которые они измерили ранее. “Мы обнаружили, что сила синаптического импульса напрямую соотносится с размером и формой синапса”, - говорит ведущий автор Грегор Шухкнехт, в прошлом аспирант в команде Кевана Мартина.
Более глубокое понимание схемы работы мозга
Эта зависимость теперь может быть использована для оценки уровня передачи информации на основе измеренного размера синапса. “Это могло бы позволить ученым использовать электронную микроскопию для точного отображения электрических схем неокортекса, а затем моделировать и интерпретировать поток информации в этих электрических схемах на компьютере, - объясняет Шухкнехт. - Подобные исследования позволят лучше понять то, как функционирует мозг в нормальных условиях и как “дефекты в схеме” могут привести к нарушениям нервно-психического развития”.
Больше вычислительной мощности и объема памяти, чем считалось ранее
Команда также смогла решить еще одну давнюю задачу в неврологии. До сих пор общепринятой доктриной было то, что только один заполненный нейропередатчиком “пакет” (так называемая везикула) высвобождается при активации синапса. Исследователи смогли использовать новый математический метод, чтобы доказать, что каждый синапс на самом деле имеет несколько областей, которые могут высвобождать пакеты с нейропередатчиком одновременно. “Это означает, что синапсы намного сложнее и могут регулировать силу сигнала более динамично, чем считалось ранее. Поэтому вычислительная мощность и объем памяти всего неокортекса, кажется, намного больше, чем предполагалось”, - заявляет Кеван Мартин.