Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Запутанные отношения нейронов

Нобелевскую премию 1906 года нейрофизиологи Сантьяго Рамон-и-Кахаль и Камило Гольджи получили вместе. Но на вручении в своих речах лауреаты продвигали теории, противоречащие друг другу. Ученые имели различные точки зрения о том, является ли нейрон анатомически самостоятельной единицей [1].Кахаль настаивал, что каждый нейрон это отдельная клетка. Гольджи придерживался ретикулярной теории строения нервной системы и считал, что мозг является непрерывной сетью. Как мы знаем сейчас, прав был Кахаль: нейрон это анатомически самостоятельная клетка. Примечательно, что развить нейронную доктрину ему помог метод окраски нервной ткани, изобретенный Гольджи. Их открытия были первыми шагами на пути к пониманию того, чем нейрон отличается от других клеток.Нейроны пускают отросткиКахаль был одним из первых, кто изобразил и описал аксоны, дендриты, дендритные шипики и другие части нейрона. На его рисунках хорошо заметны важнейшие особенности нервной клетки способность ветвиться, пускать отростки в различные участки мозга и образовывать связи с другими клетками. Нейроны непрерывно передают друг другу химические сигналы в межклеточных контактах синапсах, а также во всем объеме внеклеточного пространства мозга. Они постоянно перестраивают свои связи: строят новые и убирают лишние.В ходе развития эмбриона его клетки делятся и дифференцируются: какие-то потом становятся частью тканей внутренних органов, некоторые образуют сосуды, а другие кожу. Этот процесс называется морфогенезом. Во взрослом мозге протекает похожий процесс постоянного изменения клеток: реагируя на сенсорный поток, приходящий из органов чувств, и внутренние сигналы от собственных клеток, мозг постоянно перестраивается.Его способность меняться под воздействием опыта называется нейропластичностью. Одно из ее проявлений восстановление связей между нейронами, утраченных в результате повреждения. Каждый новый эпизод жизненного опыта ведет к новому эпизоду перестроения нейронов, их отростков и контактов между ними.Нейроны передают сигналыЗадолго до открытий Гольджи и Кахаля, еще в конце XVIII века, Луиджи Гальвани опосредованно установил электрические свойства нервной ткани. Заметив во время одного из опытов, что стимуляция нервов или спинного мозга электрическим током заставляет мышцы сокращаться, он развил теорию животного электричества, которую изложил в работе Трактат о силах электричества при мышечном движении [2].Почти через сто лет после Гальвани, в 1866 году, немецкий нейрофизиолог Юлиус Бернштейн установил, что нервный импульс представляет собой волну электричества. Представляя теорию биопотенциалов в 1902 году, Бернштейн постулировал, что нервный импульс это временное уменьшение сопротивления участка мембраны. Эта волна деполяризации мембраны была названа потенциалом действия. Его идея была широко распространена в научной среде с начала XX века до конца 1930-х, когда новые инструменты и методы показали, что гипотеза была слишком упрощенной.В 1950-х подробную математическую модель распространения потенциалов действия предложили работавшие с гигантским аксоном кальмара Томас Ходжкин и Алан Хаксли, за что позже были удостоены Нобелевской премией 1963 года вместе с Джоном Экллсом, который описал механизмы синаптической передачи [3].Между наружной и внутренней стороной мембраны нейрона поддерживается относительно постоянный электрический потенциал покоя. Это происходит за счет работы мембранных белков-насосов, перекачивающих ионы против электрохимического градиентапротив электрохимического градиента, то есть обратно от того, как ионы текли бы сами. На поддержание потенциала покоя тратится около трети всей энергии в мозге. В момент генерации потенциала действия в начальном сегменте аксона в результате открытия ионных каналов и диффузии ионов в клетку и наружу происходит быстрое изменение мембранного потенциала на противоположный. Это изменение перетекает по мембране аксона к синаптическому окончанию и провоцирует там выброс сигнальных молекул нейромедиаторов. Выброшенные в узкую синаптическую щель молекулы медиатора связываются с рецепторами на мембране второго нейрона как ключ с замком.Взаимодействие нейромедиатора с рецептором принимающего нейрона вызывает открытие ионных каналов уже на его стороне. В результате по мембране дендрита следующего нейрона распространяется новая волна поляризации (или деполяризации в зависимости от передаваемого химического сигнала), которую называют постсинаптическим потенциалом. Постсинаптические потенциалы, приходящие с разных сторон мембраны, интегрируются в начальном сегменте аксона, откуда, в свою очередь, может быть сгенерирован следующий потенциал действия.Теория Ходжкина и Хаксли продвинула нас в понимании механизмов распространения электрического сигнала по мембране аксона, однако привела к интересному заблуждению: представление о передаче потенциала действия в рамках отростка было перенесено на весь мозг. Еще долго в научном сообществе было распространено ошибочное представление, что между нервными клетками, как по проводам, передается электрическое возбуждение и что они контактируют друг с другом только за счет синапсов. Реальность оказалась иной.Сейчас известно множество альтернативных механизмов передачи сигналов в мозге. Вызывающее активацию нейрона вещество может попасть на него из кровотока или из окружающих глиальных (вспомогательных, ненейрональных) клеток. У некоторых из них (астроцитов) даже есть рецепторы к нейромедиаторам. Астроциты могут регулировать синаптическую передачу, открывая синаптическую щель, чтобы нейромедиаторы могли из нее вытекать наружу. В данный момент этот механизм, называемый объемной передачей (volume transmission), активно изучается. Уже известно, что его роль в процессах функционирования мозга огромна, однако все детали его участия в этих процессах пока неизвестны.
Как нейрон решает, в какой момент запустить сигнал? Принято считать, что он суммирует плюсы и минусы на мембране (то есть ее деполяризацию или гиперполяризацию), которые передают ему другие нейроны через синапсы. Если плюсов больше, генерируется потенциал действия. Однако молекулярные процессы происходят не только на мембране, но и внутри нейрона. Нервная клетка, лежащая отдельно в чашке Петри, может продолжать спонтанно генерировать потенциалы действия, не получая никаких сигналов извне.Нейроны эпигенетически разнообразныМозг можно представить себе как совокупность огромного числа не похожих друг на друга клеток, которые находятся в сложных отношениях между собой. Большая часть белков, закодированных в человеческом геноме, синтезируется только в мозге. Каждый нейрон обладает индивидуальным эпигенетическим портретом в зависимости от того, какие белки он синтезирует. Один нейрон может быть невосприимчив к сигналам от других нейронов по причине несовпадения их эпигенетических портретов. У двух отдельно взятых нейронов набор экспрессируемых генов, а значит, и разнообразие функций могут сильно различаться. Кроме того, микроархитектура внутри мозга на клеточном уровне непредсказуема и уникальна. А два соседних нейрона могут пускать отростки в совершенно разные участки мозга.
Активность нейронов специализированаПоявление технической возможности регистрировать активности нейронов живых существ продвинуло ученых на следующий этап понимания принципов работы мозга. В 1950-х годах известный нейрохирург Уайлдер Пенфилд проводил эксперименты на своих пациентах [4]. Он имплантировал электроды в мозг во время операций и наблюдал за реакциями на стимуляцию нейронов. При подаче небольшого электрического заряда в определенную область моторной коры он видел, как двигается, например, указательный палец или дергается глаз. Так Пенфилду удалось картировать всю моторную и соматосенсорную кору области, в которых обнаруживается большое число нейронов, связанных с движением и сенсорным восприятием. Схематично такую карту изображают в виде гомункулуса, части тела которого пропорциональны зонам мозга, в которых они представлены. Поэтому пальцы рук, губы и язык гомункулуса изображаются крупнее, чем туловище и ноги.Немного позже, в конце 1960-х годов, появилась возможность регистрировать нейроны свободноподвижных животных. Это помогло ученым открыть специфичность нейрона относительно поведения. Одной из громких стала работа Джона ОКифа, в которой фигурировала резиновая игрушка-крокодильчик [5]. Ученый выпускал крысу в лабиринт и регистрировал активность клеток в ее гиппокампе. ОКифу удалось поймать нейрон (попасть электродом близко к его мембране и зарегистрировать активность), который активировался, когда крыса оказывалась в определенном месте лабиринта, причем только тогда, когда крыса взаимодействовала с резиновым крокодильчиком.Стало понятно, что нейрон связан с определенным индивидуальным опытом, имеющимся у крысы. В российской традиции это называют специализацией, в английской чаще используют слово specificity.Эта особенность нейронов очень важна: она демонстрирует, что они не одинаковы, каждый вовлечен только в свою конкретную задачу, а субъективность опыта связана напрямую с активностью определенных нервных клеток.Представьте, насколько это сложно устроено взаимодействие с резиновым крокодильчиком в определенном месте пространства. Как это можно перевести с языка крысы? А ведь для нее это имело какое-то значение, у нее был связанный с этим нейрон и, вероятнее всего, не один.
Нейроны запоминают концепцииДругое известное исследование связано с обнаружением так называемого нейрона Дженнифер Энистон[6]. В нем ученые показывали испытуемому разные изображения и регистрировали активность нейронов вживленными в мозг электродами. Методом перебора разных изображений ученым удалось найти нейрон, который активировался только при предъявлении фотографий Дженнифер Энистон. В то же время нейрон молчал, если на фотографии она была вместе с Бредом Питтом. Можно было бы подумать, что этот нейрон специфичен к изображениям Дженнифер Энистон и в массовом сознании эксперимент ассоциируется именно с ней. Однако дальше экспериментаторы выяснили, что этот нейрон активируется еще, когда испытуемый видит Лизу Кудроу. Можно предположить, что это скорее нейрон концепции, некоего знания о том, что актрисы играли в сериале Друзья. Конечно, Бред Питт снимался в Друзьях в одной серии. Однако, по всей видимости, в восприятии испытуемого он не являлся частью этого сериала.
Еще одна работа, повлиявшая на представления о нейронах, связана с сериалом Симпсоны [7]. Эксперимент был похож на предыдущий: ученые регистрировали нейроны пациента вживленными в мозг электродами, показывая ему различные видеофрагменты. Они обнаружили нейрон, проявляющий электрическую активность в момент заставки из Симпсонов. На видео эксперимента отдельная волна показывает потенциал действия этого нейрона. Хорошо видно, что, даже когда заставка исчезала, нейрон продолжал быть активным еще некоторое время.Дальше происходило самое интересное: испытуемого просили вспомнить, какие видеофрагменты ему показывали. В момент упоминания Симпсонов нейрон начинал снова проявлять активность. Именно здесь испытуемый осознавал это воспоминание. Таким образом, активность этого нейрона может быть вызвана не только непосредственным контактом с анимацией из Симпсонов достаточно одной лишь мысли о них.Однородность структуры это иллюзияБуквально за последние десять лет произошло еще одно изменение: появление новых методов визуализации активности отдельных нейронов, таких как метод кальциевого имиджингаметодкальциевого имиджинга, позволило увидеть неоднородность структур мозга и продвинуться в понимании его функционирования. Различные эксперименты показали, что соседние клетки подчас не образуют группы между собой и принципы работы мозга не ограничены структурно-функциональными представлениями, которым ученое сообщество долгое время придерживалось.Учитывая специфичность небольших и неодинаковых элементов, из которых состоит мозг, мы все еще далеки от полного понимания происходящих в нем процессов и лежащих в основе этих процессов механизмов. С развитием методов изучения мозга мы все больше узнаем об устройстве нейрона: какие нейромедиаторы или белки он производит, с кем связывается. Но, даже зная все это, осмыслить всю сложность отношений, в которых клетки мозга находятся между собой, ученым еще только предстоит.ЛитератураMedicine and science in the life of Luigi Galvani (17371798) / MarcoBresadola / Brain Research Bulletin Volume 46, Issue 5, 15 July 1998, Pages 367-380Penfield's homunculus: a note on cerebral cartography / GD Schott - Journal of neurology, neurosurgery, and psychiatry, 1993Place units in the hippocampus of the freely moving rat / John O'Keefe / Experimental NeurologyVolume 51, Issue 1, 1976, Pages 78-109Invariant visual representation by single neurons in the human brain / R Quian Quiroga, L Reddy, G Kreiman, C Koch, I Fried /Nature. 2005 Jun 23;435(7045):1102-7.Internally Generated Reactivation of Single Neurons in Human Hippocampus During Free Recall / Hagar Gelbard-Sagiv, Roy Mukamel, Michal Harel, Rafael Malach, Itzhak Fried / Science 03 Oct 2008: Vol. 322, Issue 5898, pp. 96-101
Источник: postnauka.ru
К списку статей
Опубликовано: 29.06.2021 14:00:26
0

Сейчас читают

Комментариев (0)
Имя
Электронная почта

Общее

Категории

Последние комментарии

© 2006-2021, umnikizdes.ru