Человеческий мозг содержит около 86 миллиардов нейронов. Каждый из этих нейронов соединяется с другими клетками, образуя триллионы соединений. Место контакта двух нейронов или нейрона и получающей сигнал клетки называют синапсом. Через эти синапсы осуществляется передача нервного импульса.
Науке все это было известно уже давно. Ученые более ста лет назад выяснили, что каждый нейрон работает как централизованный возбуждаемый элемент. Внутри него сначала накапливаются входящие электрические сигналы, а затем, когда те достигают определенного предела, нейрон генерирует и посылает короткий электрический импульс в многочисленные ответвления – дендриты. На их концах расположены мембранные выросты – шипики. С этих шипиков и отправляется импульс. Когда шипики одного нейрона соединяются с шипиками другого, формируется синапс. Но это лишь одна из разновидностей контакта. Синапсы также образуются при контакте самих дендритов, а также тел нейронов.
Тем не менее новое исследование, проведенное израильскими специалистами из Университета имени Бар-Илан и опубликованное научным журналом Scientific Reports, развенчивает классические представления о работе нейронов.
Ещё в 1907 году французский нейробиолог Луи Лапик предложил модель, согласно которой напряжение в дендритных шипиках нейронов увеличивается по мере накопления электрических сигналов. При достижении определенного максимума, нейрон отвечает всплеском активности, после чего напряжение сбрасывается. Это также означало, что если нейрон еще не «собрал» достаточно сильный электрический сигнал, то он не будет отправлять импульс.
Последующие сто лет нейробиологи изучали клетки мозга, основываясь на этой модели. Однако в рамках новых типов экспериментов ученые доказали, что Лапик ошибался.
Старая схема работы нейронов как совокупной возбудимой единицы (левое изображение) и новая – с чувствительностью справа, слева и снизу (правое изображение)
Исследователи обнаружили, что каждый нейрон функционирует не как совокупность возбудимых элементов. На самом деле его дендритные отростки могут действовать по-разному. Грубо говоря, «левый» и «правый» дендриты не ждут накопления сигналов, чтобы суммировать их и генерировать импульс. Напротив, каждый из них «работает» в своем 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 еще с 1980-х годов. Вера в научные открытия столетней давности привела к этой задержке», — комментирует руководитель работы профессор Идо Кантер.
Исследователи решили изучать природу самого нейронного импульса – всплеска электрической активности. В рамках одного эксперимента на нейрон с разных сторон применялся электрический ток, а в другом эксперименте ученые 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 такой же слабый сигнал «справа» нейрон не суммирует и не отзывается импульсом. Однако если с одной из сторон поступит более мощный сигнал, то даже он один может запустить реакцию нейрона.
По мнению 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.
Новые эксперименты также поставили под сомнение метод «сортировки шипиков», используемый сотнями научных групп по всему миру. Метод помогает измерять активность сразу множества нейронов, но, как и прочие, основывается на предположениях, которые, возможно, вскоре будут официально признаны устаревшими.
Однако первоочередная задача для нейробиологов заключалась в том, чтобы понять, как нейроны «сортируют» входящие сигналы и на основе этого формируют свой «отзыв». Кроме того, авторы отмечают, что они проводили эксперименты лишь с одним типом нервных клеток – пирамидальными нейронами. Хотя они бывают также грушевидными, звездчатыми, зернистыми, неправильными и веретеновидными.
Помимо медицинских применений, открытие может нести большую пользу для сферы создания более совершенных искусственных нейросетей, говорят ученые.