Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Алгебра нейронов: исследование расшифровывает, как одна нервная клетка может размножаться

Нейроны постоянно выполняют сложные вычисления для обработки сенсорной информации и определения состояния окружающей среды. Например, считается, что для локализации звука или для распознавания направления визуального движения отдельные нейроны умножают два сигнала. Однако то, как осуществляется такое вычисление, десятилетиями оставалось загадкой. Исследователи из Института биологического интеллекта имени Макса Планка обнаружили у плодовых мушек биофизическую основу, позволяющую определенному типу нейронов умножать два входящих сигнала. Это дает фундаментальное представление об алгебре нейронов — вычислениях, которые могут лежать в основе бесчисленных процессов в мозгу.

Мы легко распознаем объекты и направление, в котором они движутся. Мозг вычисляет эту информацию на основе локальных изменений интенсивности света, обнаруживаемых нашей сетчаткой. Вычисления происходят на уровне отдельных нейронов . Но что это значит, когда нейроны вычисляют? В сети сообщающихся нервных клеток каждая клетка должна вычислять свой исходящий сигнал на основе множества входящих сигналов. Некоторые типы сигналов будут увеличиваться, а другие уменьшать исходящий сигнал — процессы, которые нейробиологи называют « возбуждением » и « торможением ».

Теоретические модели предполагают, что для наблюдения за движением требуется умножение двух сигналов, но как такие арифметические операции выполняются на уровне отдельных нейронов, ранее было неизвестно. Исследователи из отдела Александра Борста в Институте биологического интеллекта им. Макса Планка решили эту загадку на конкретном типе нейронов.

Запись с клеток Т4

Ученые сосредоточились на так называемых клетках Т4 в зрительной системе плодовой мушки. Эти нейроны реагируют только на визуальное движение в одном определенном направлении. Ведущим авторам Джонатану Малису и Лукасу Грошнеру впервые удалось измерить как входящие, так и исходящие сигналы клеток Т4. Для этого нейробиологи поместили животное в миниатюрный кинотеатр и использовали крошечные электроды для записи электрической активности нейронов. Поскольку клетки Т4 являются одними из самых маленьких из всех нейронов, успешные измерения стали важной методологической вехой.

Вместе с компьютерным моделированием данные показали, что активность клетки Т4 постоянно подавляется. Однако если зрительный стимул перемещается в определенном направлении, торможение ненадолго снимается. В течение этого короткого промежутка времени входящий возбуждающий сигнал усиливается: математически постоянное торможение эквивалентно делению; удаление торможения приводит к умножению. «Мы обнаружили простую основу для сложных вычислений в одном нейроне», — объясняет Лукас Грошнер. «Операция, обратная делению, — это умножение. Похоже, что нейроны способны использовать эту взаимосвязь», — добавляет Джонатан Малис.

Релевантность для поведения

Способность клетки Т4 к размножению связана с определенной молекулой рецептора на ее поверхности. «Животные, у которых отсутствует этот рецептор, неправильно воспринимают визуальное движение и не могут поддерживать стабильный курс в поведенческих экспериментах», — объясняет соавтор Бирте Зуйдинга, которая проанализировала траектории ходьбы плодовых мушек в виртуальной реальности. Это иллюстрирует важность этого типа вычислений для поведения животных.

«До сих пор наше понимание базовой алгебры нейронов было довольно неполным, — говорит Александр Борст. «Однако сравнительно простой мозг плодовой мушки позволил нам разобраться в этой, казалось бы, неразрешимой загадке». Исследователи предполагают, что подобные нейронные вычисления лежат в основе, например, наших способностей локализовать звуки, концентрировать внимание или ориентироваться в пространстве.

Алгебра нейронов: исследование расшифровывает, как одна нервная клетка может размножаться

В тренде