Вековые представления о работе нейронов мозга оказались ошибочными

Человеческий мозг содержит 85-86 миллиардов нейронов. Каждый из них соединяется с другими клетками, образуя триллионы соединений. Место контакта двух нейронов или нейрона и получающей сигнал клетки называется синапс. Через них осуществляется передача нервного импульса.

Всё это исследователям известно давно: более ста лет назад физиологи уже знали, что каждый нейрон функционирует как централизованный возбуждаемый элемент. Он накапливает входящие электрические сигналы в своём теле (соме) и, когда те достигают определённого предела, генерирует короткий электрический импульс в многочисленные ответвления – дендриты. На их концах расположены мембранные выросты – шипики. Именно туда отправляется импульс, и когда шипики одного нейрона соединяются с шипиками другого, формируется синапс. (Впрочем, это лишь одна разновидность контакта: синапсы также образуются при контакте самих дендритов, а также тел нейронов).

Новое исследование, которое возглавили израильские специалисты из Университета имени Бар-Илан, развенчало классические предположения о деятельности нейронов.

Ещё в 1907 году французский нейробиолог Луи Лапик предложил модель, согласно которой напряжение в дендритных шипиках нейронов увеличивается по мере накопления электрических сигналов.

Когда достигается определённый максимум, нейрон реагирует всплеском активности, после чего напряжение сбрасывается. Это означает, что нейрон не будет отправлять "сообщение", если он ещё не "собрал" достаточно сильный электрический сигнал.

Последующие сто лет нейробиологи изучали клетки мозга, основываясь на этом знании. Однако теперь учёные провели новые типы экспериментов и доказали, что Лапик ошибся.

Исследователи обнаружили, что каждый нейрон функционирует не как совокупность возбудимых элементов. Напротив, его дендритные отростки могут действовать по-разному. Грубо говоря, "левый" и "правый" дендриты не ждут накопления сигналов, чтобы суммировать их и генерировать импульс. Они "работают" каждый в своём направлении, создавая абсолютно разные импульсы.

"Мы пришли к такому выводу, используя новую экспериментальную установку, но, в принципе, эти результаты могли быть обнаружены с помощью технологий, существовавших уже с 1980-х годов. Вера в научные открытия столетней давности привела к этой задержке", — рассказывает руководитель работы профессор Идо Кантер (Ido Kanter).

Его команда исследовала природу самого нейронного импульса – всплеска электрической активности. Один эксперимент предполагал применение электрического тока к нейрону с разных его сторон, а во втором учёные использовали эффект множественных входных сигналов.

Полученные результаты указывают на то, что направление принятого сигнала может существенно повлиять на реакцию нейрона.

Например, слабый сигнал "слева" и столь же слабый "справа" нейрон не суммирует и не отзовётся импульсом, а вот если с одной из сторон поступит более мощный сигнал, то даже он один может запустить реакцию нейрона.

По словам Кантера, необходимо отказаться от традиционных представлений и заново изучить функциональные возможности клеток мозга. В первую очередь, это крайне важно для понимания природы нейродегенеративных заболеваний. Возможно, нейроны, которые не способны дифференцировать "лево" и "право", могут стать отправной точкой для выявления происхождения этих болезней.

Также эксперименты поставили под сомнение метод "сортировки шипиков", который используют сотни научных групп по всему миру. Он помогает измерять активность сразу множества нейронов, но, как и прочие методы, основывается на предположениях, которые, возможно, вскоре будут официально признаны устаревшими.

Однако первоочередная задача для нейробиологов – понять, как нейроны "сортируют" входящие сигналы и как формируют "отзыв".

Кроме того, авторы подчёркивают, что они проводили эксперименты лишь с одним типом нервных клеток – пирамидальными нейронами (как на главном фото). А они бывают также грушевидными, зернистыми, звездчатыми, веретеновидными и неправильными.

Кстати, помимо медицинских применений, открытие может также внести свой вклад в создание более совершенных искусственных нейросетей.

Работа израильтян была опубликована в издании Scientific Reports.

Добавим, что ранее исследователи открыли новые свойства нейронных дендритов, а также впервые измерили ёмкость синапсов.