Главный переключатель нейронов меняет активность мозга во время обучения

В основе памяти и процессов обучения лежат изменения в нейронных связях мозга и, как следствие, в передаче сигналов между нейронами. Исследователи DZNE впервые наблюдали подобное явление в живом мозге, особенно у мышей. Этот механизм касается клеточного генератора импульсов для нейрональных сигналов («начальный сегмент аксона») и ранее был документирован только в клеточных культурах и в образцах мозга. Об этом сообщает в журнале Nature Neuroscience группа под руководством нейробиолога Яна Грюндеманна вместе с экспертами из Швейцарии, Италии и Австрии. Их исследование проливает свет на способность мозга адаптироваться. Далее исследователи намерены изучить значение этих результатов для болезни Альцгеймера.

В мозге нейроны разветвляются и соединяются друг с другом, образуя сеть, через которую происходит активный обмен электрическими сигналами. Эта сетевая структура является важным компонентом «аппаратного обеспечения» мозга и, следовательно, имеет фундаментальное значение для его функций, особенно в отношении процессов обучения и формирования памяти. Однако эта сложная архитектура и передача сигналов по этой сети не фиксированы; они могут меняться в результате опыта и событий. Эта гибкость, также известная как «нейропластичность», является основой способности мозга к адаптации.

Нейрональный кардиостимулятор

Пластичность нейронов во многом зависит от способности регулировать силу связей и передачу сигналов между нейронами. Если рассматривать эти клетки как ретрансляционные станции, их «сила связи» определяет, насколько эффективно сигналы передаются от одной клетки к другой и насколько хорошо они распространяются внутри нейронной сети. Ян Грюндеманн, руководитель исследовательской группы DZNE и профессор Боннского университета, и его коллеги теперь смогли наблюдать, как меняется секция, генерирующая электрический сигнал. У большинства нейронов имеется такой «начальный сегмент аксона», который характеризуется особенно высокой плотностью специфических ионных каналов. «Начальный сегмент аксона определяет, генерируется нервный импульс или нет», — говорит нейробиолог. "Благодаря специализированным методам микроскопии два члена нашей команды, Хлоя Бенуа и Дэн Ганеа, смогли отслеживать размер этих сегментов в живом мозге во время обучения - это впервые. До сих пор начальные сегменты аксонов в основном измерялись в клеточных культурах или образцах тканей. Теперь мы отслеживаем их в мозге в течение нескольких дней в контексте обучения".

Иногда дольше, иногда короче

Результаты основаны на исследованиях на мышах: в поведенческом эксперименте животные научились реагировать на различные ситуации, таким образом извлекая уроки из своего опыта и воспоминаний и соответствующим образом корректируя свое поведение. Исследователи наблюдали отдельные нейроны у живых животных до и после тренировок. Они смогли неоднократно находить определенные нервные клетки и начальные сегменты их аксонов и, таким образом, фиксировать изменения с течением времени. В частности, они исследовали область коры головного мозга, которая, как известно, участвует в процессах обучения. «Мы обнаружили, что начальные сегменты аксонов наблюдаемых нейронов изменили длину: они стали длиннее или сжались», — объясняет Грюндеманн. "Длина начального сегмента аксона определяет возбудимость нейрона. Клетки с длинным начальным сегментом генерируют более сильные импульсы, чем клетки с коротким сегментом. Таким образом, этот механизм может регулировать активность мозга. Мы пока не знаем, почему одни сегменты становятся длиннее, а другие короче. По-видимому, это решающий рычаг управления для оптимальной настройки нейронной активности".

Главный переключатель

Начальный сегмент аксона является частью «аксона» - волокна, подобного расширению. нейронов, передающих электрические импульсы другим клеткам. В конце аксон несколько раз разветвляется, позволяя одному нейрону контактировать со многими другими клетками. Известно, что эти точки контакта, называемые «синапсы», также изменяются во время формирования памяти, тем самым влияя на передачу нейрональных сигналов. «Сигналы передаются от одного нейрона к другому через синапсы, но начальный сегмент аксона решает, сработает ли нейрон и насколько сильным будет его выходной сигнал. Так что, в каком-то смысле, это главный переключатель. И синапсы, и начальные сегменты аксона влияют на передачу сигналов между нейронами. Оба являются участками нейропластичности. И наше исследование показывает, что оба могут иметь отношение к формированию памяти», — говорит Грюндеманн. «Хотя мы изучили только конкретную область мозга, мы предполагаем, что, подобно синаптической пластичности, динамические изменения начального сегмента аксона являются общим принципом, связанным с обучением. Мы планируем изучить это явление в других областях мозга, особенно в отношении нейродегенеративных заболеваний.