Нейроны переключаются между мыслями, используя ритмы мозга

Мозг постоянно составляет карту внешнего мира, как GPS-навигатор, даже когда мы об этом не подозреваем. Эта активность проявляется в виде крошечных электрических сигналов, посылаемых между нейронами – специализированными клетками, которые взаимодействуют друг с другом, помогая нам думать, двигаться, запоминать и чувствовать. Эти сигналы часто следуют ритмическим паттернам, известным как мозговые волны, например более медленным тета-волнам и более быстрым гамма-волнам, которые помогают упорядочить процесс обработки информации мозгом.

Понимание того, как отдельные нейроны реагируют на эти ритмы, является ключом к раскрытию механизмов работы мозга, связанных с навигацией в реальном времени.

Также оно может объяснить, как эти механизмы могут нарушаться при заболеваниях.

Новое исследование, проведенное Атлантическим университетом Флориды и сотрудниками Медицинского центра Erasmus в Роттердаме и Амстердамского университета, выявило удивительную способность клеток мозга в гиппокампе обрабатывать, кодировать и реагировать на информацию, поступающую от нескольких мозговых ритмов одновременно.

Исследование, опубликованное в журнале PLOS Computational Biology, показывает, как отдельный нейрон может переключаться между генерацией одиночных спайков и быстрых всплесков в зависимости как от своих внутренних свойств, так и от текущей электрической активности мозга – явление, которое исследователи назвали “чередующимся резонансом”.

Это открытие позволяет по-новому взглянуть на то, как мозг упорядочивает мысли для навигации, запоминания и управления поведением, и может иметь важные последствия для изучения неврологических заболеваний, связанных с пространственной памятью и обучением, таких как эпилепсия, болезнь Альцгеймера и шизофрения.

Исследование было сосредоточено на пирамидных нейронах CA1 – типе клеток мозга, которые играют ключевую роль в формировании памяти и пространственной навигации, – то есть в том, как мы определяем, где находимся и как добраться из одного места в другое. Эти клетки обмениваются информацией с помощью электрических импульсов, которые могут быть как одиночными, так и в виде быстрых всплесков. Каждый режим активации несет в себе различные типы информации и связан с определенными поведенческими контекстами.

До сих пор факторы, которые определяют, когда и как эти нейроны переключаются между режимами, были плохо изучены.

Используя передовые методы компьютерного моделирования и новейшую технологию визуализации активности мозга, исследователи продемонстрировали, что нейроны могут одновременно реагировать как на тета-волны (медленные), так и на гамма-волны (быстрые), но по-разному. В результате получается своего рода двойное кодирование, при котором нейрон использует всплески для резонанса с тета-волнами и одиночные спайки для резонанса с гамма-волнами – и то, и другое одновременно встроено в один и тот же электрический сигнал.

“Наши модели показывают, что отдельный нейрон может вести себя подобно многодиапазонному радиоприемнику, настраиваясь на разные частоты и соответствующим образом меняя свое поведение”, – говорит доктор Родриго Пена, доцент кафедры биологических наук Атлантического университета Флориды. “Это гораздо более гибкая и мощная система, чем мы себе представляли ранее”.

Команда обнаружила, что на такое поведение влияют внутренние настройки нейрона, а именно уровни трех ионных токов: постоянного натриевого, калиевого тока задержанного выпрямления и тока, активируемого гиперполяризацией.

Регулируя эти внутренние проводимости, нейроны могут переключать свои резонансные предпочтения между тета- и гамма-волнами, а также между импульсными всплесками и одиночными спайками. Кроме того, нейроны с большей вероятностью запускали всплески после длительных периодов молчания, что привносит элемент, зависящий от времени, в способ кодирования информации.

“Эта способность к “двойному кодированию” открывает новый взгляд на то, как мозг эффективно организует и передает информацию”, – говорит Пена.

“И она может иметь широкие последствия для понимания неврологических состояний, при которых нарушаются мозговые ритмы”.

“Если нейроны дают сбои или не могут должным образом переключаться между одиночными спайками и всплесками, это может повлиять на формирование воспоминаний или направление внимания. Если мы поймем, как нейроны естественным образом приспосабливаются к различным ритмам мозга, то сможем начать думать о том, как восстановить эту гибкость в условиях, когда она утрачена”.

Полученные результаты также проясняют давние вопросы нейронауки, в том числе на то, как в гиппокампе формируется пространственная память, и подчеркивают сложность и адаптивность мозга. Предыдущие исследования показали, что тета- и гамма-ритмы влияют на то, когда и как активизируются нейроны, когда животное перемещается в пространстве.

Эта новая работа показывает, что нейроны не привязаны к одному режиму возбуждения, а могут динамически менять свою реакцию в зависимости как от внешних сигналов, так и от внутренней электрической среды. Другими словами, один нейрон не ограничивается передачей только одного типа сигнала – он может передавать несколько уровней информации в зависимости от контекста.

“Строительные блоки мозга гораздо более динамичны, чем считалось ранее”, – говорит Пена.

“Нейрон может одновременно следовать различным ритмам мозга, корректируя свои паттерны активации в соответствии с потребностями момента”.

“Это открытие не только расширяет наше понимание того, как работает мозг, но и может однажды помочь в разработке методов лечения, направленных на восстановление здоровой нейронной функции, когда что-то идет не так”.

 

Подпишитесь на сайт Психолог в интернете
в Telegram или ВКонтакте.
Помощь психолога