Нейрон похож на все остальные клетки организма тем что

Нейрон похож на все остальные клетки организма тем что

В теле человека бессчетное количество клеток, каждая из которых имеет собственную функцию. Среди них самые загадочные – нейроны, отвечающие за любое совершаемое нами действие. Попробуем разобраться как работают нейроны и в чем их предназначение.

Что такое нейрон (нейронные связи)

Нейроны работают при помощи электрических сигналов и способствуют обработке мозгом поступающей информации для дальнейшей координации производимых телом действий.

Эти клетки являются составляющей частью нервной системы человека, предназначение которой состоит в том, чтобы собрать все сигналы, поступающие из вне или от собственного организма и принять решение о необходимости того или иного действия. Именно нейроны помогают справиться с такой задачей.

Каждый из нейронов имеет связь с огромным количеством таких же клеток, создаётся своеобразная «паутина», которая называется нейронной сетью. Посредством данной связи в организме передаются электрические и химические импульсы, приводящие всю нервную систему в состояние покоя либо, наоборот, возбуждения.

К примеру, человек столкнулся с неким значимым событием. Возникает электрохимический толчок (импульс) нейронов, приводящий к возбуждению неровной системы. У человека начинает чаще биться сердце, потеют руки или возникают другие физиологические реакции.

Мы рождаемся с заданным количеством нейронов, но связи между ними еще не сформированы. Нейронная сеть строится постепенно в результате поступающих из вне импульсов. Новые толчки формируют новые нейронные пути, именно по ним в течение жизни побежит аналогичная информация. Мозг воспринимает индивидуальный опыт каждого человека и реагирует на него. К примеру, ребенок, схватился за горячий утюг и отдернул руку. Так у него появилась новая нейронная связь.

Стабильная нейронная сеть выстраивается у ребенка уже к двум годам. Удивительно, но уже с этого возраста те клетки, которые не используются, начинают ослабевать. Но это никак не мешает развитию интеллекта. Наоборот, ребенок познает мир через уже устоявшиеся нейронные связи, а не анализирует бесцельно все вокруг.

Познание нового опыта на протяжении всей жизни приводит к отмиранию ненужных нейронных связей и формированию новых и полезных. Этот процесс оптимизирует головной мозг наиболее эффективным для нас образом. Например, люди, проживающие в жарких странах, учатся жить в определенном климате, а северянам нужен совсем другой опыт для выживания.

Сколько нейронов в мозге

Нервные клетки в составе головного мозга занимают порядка 10 процентов, остальные 90 процентов это астроциты и глиальные клетки, но их задача заключается лишь в обслуживании нейронов.

Подсчитать «вручную» численность клеток в головном мозге также сложно, как узнать количество звезд на небе.

Тем не менее ученые придумали сразу несколько способов для определения количества нейронов у человека:

Строение нейрона

На рисунке приведено строение нейрона. Он состоит из основного тела и ядра. От клеточного тела идет ответвление многочисленных волокон, которые именуются дендритами.

Мощные и длинные дендриты называются аксонами, которые в действительности намного длиннее, чем на картинке. Их протяженность варьируется от нескольких миллиметров до более метра.

Аксоны играют ведущую роль в передаче информации между нейронами и обеспечивают работу всей нервной системы.

Место соединения дендрита (аксона) с другим нейроном называется синапсом. Дендриты при наличии раздражителей могут разрастись настолько сильно, что станут улавливать импульсы от других клеток, что приводит к образованию новых синаптических связей.

Синаптические связи играют существенную роль в формировании личности человека. Так, личность с устоявшимся позитивным опытом будет смотреть на жизнь с любовью и надеждой, человек, у которого нейронные связи с негативным зарядом, станет со временем пессимистом.

Виды нейронов и нейронных связей

Нейроны можно обнаружить в различных органах человека, а не исключительно в головном мозге. Большое их количество расположено в рецепторах (глаза, уши, язык, пальцы рук – органы чувств). Совокупность нервных клеток, которые пронизывают наш организм составляет основу периферической нервной системы. Выделим основные виды нейронов.

Слаженная работа нейронов трех типов выглядит так: человек «слышит» запах шашлыка, нейрон передает информацию в соответствующий раздел мозга, мозг передает сигнал желудку, который выделяет желудочный сок, человек принимает решение «хочу есть» и бежит покупать шашлык. Упрощенно так это действует.

Самыми загадочными являются промежуточные нейроны. С одной стороны, их работа обуславливает наличие рефлекса: дотронулся до электричества – отдернул руку, полетела пыль –зажмурился. Однако, пока не объяснимо как обмен между волокнами рождает идеи, образы, мысли?

Единственное, что установили ученые, это тот факт, что любой вид мыслительной деятельности (чтение книг, рисование, решение математических задач) сопровождается особой активностью (вспышкой) нервных клеток определенного участка головного мозга.

Есть особая разновидность нейронов, которые именуются зеркальными. Их особенность заключается в том, что они не только приходят в возбуждение от внешних сигналов, но и начинают «шевелиться», наблюдая за действиями своих собратьев – других нейронов.

Функции нейронов

Без нейронов невозможна работа организма человека. Мы увидели, что эти наноклетки отвечают буквально за каждое наше движение, любой поступок. Выполняемые ими функции до настоящего времени в полной мере не изучены и не определены.

Существует несколько классификаций функций нейронов. Мы остановимся на общепринятой в научном мире.

Функция распространения информации

Данная функция:

Суть ее в том, что нейронами обрабатываются и переносятся в головной мозг все импульсы, которые поступают из окружающего мира или собственного тела. Далее происходит их обработка, подобно тому, как работает поисковик в браузере.

По результатам сканирования сведений из вне, головной мозг в форме обратной связи передает обработанную информацию к органам чувств или мышцам.

Мы не подозреваем, что в нашем теле происходит ежесекундная доставка и переработка информации, не только в голове и на уровне периферической нервной системы.

До настоящего времени создать искусственный интеллект, который бы приблизился к работе нейронных сетей человека, не удалось. У каждого из 85 миллиардов нейронов имеется, как минимум, 10 тысяч обусловленных опытом связей, и все они работают на передачу и обработку информации.

Функция аккумуляции знаний (сохранения опыта)

Человек обладает памятью, возможностью понимать суть вещей, явлений и действий, которые он единожды или многократно повторял. За формирование памяти отвечают именно нейронные клетки, точнее нейротрансмиттеры, связующие звенья между соседними нейронами.

Таким образом, за память отвечает не какая-то отдельная часть мозга, а маленькие белковые мостики между клетками. Человек может потерять память, когда произошло крушение этих нервных связей.

Функция интеграции

Данная функция позволяет взаимодействовать между собой отдельным долям головного мозга. Как мы уже сказали, сигналы от разных органов чувств поступают в разные отделы мозга.

Нейроны посредством «вспышек» активности передают и принимают импульсы в разных частях мозга. Так происходит процесс появления мыслей, эмоций и чувств. Чем больше таких разноплановых связей, тем эффективнее человек мыслит. Если человек способен к размышлениям и аналитике в определенном направлении, то он будет хорошо соображать и в другом вопросе.

Функция производства белков

Нейроны – настолько полезные клетки, что не ограничиваются только передаточными функциями. Нервные клетки вырабатывают необходимые для жизни человека белки. Опять же ключевую роль в производстве белков имеют нейротрансмиттеры, которые отвечают за память.

Всего в невронах индуцируется порядка 80 белков, вот основные из них, влияющие на самочувствие человека:

Прекращение выработки белков или их выпуск в недостаточном количестве способны привести к тяжелым заболеваниям.

Восстанавливаются ли нервные клетки

При нормальном состоянии организма нейроны могут жить и функционировать очень долго. К сожалению, случается так, что они начинают массово погибать. Причин разрушения нервных волокон может быть много, но до конца механизм их деструкции не изучен.

Установлено, что нервные клетки погибают из-за гипоксии (кислородное голодание). Нейронные сети рушатся при отдельных травмах головного мозга, человек теряет память или утрачивает способность к хранению информации. В этом случае сами нейроны сохранены, но теряется их передаточная функция.

Отсутствие допамина ведет к развитию болезни Паркинсона, а его переизбыток является причиной шизофрении. Почему прекращается выработка белка не известно, спусковой механизм не выявлен.

Гибель нервных клеток происходит при алкоголизации личности. Алкоголик со временем может совершенно деградировать и утратить вкус к жизни.

Формирование нервных клеток происходит при рождении. Долгое время ученые полагали, что со временем нейроны отмирают. Поэтому с возрастом человек утрачивает способность накапливать информацию, хуже соображает. Нарушение функции по выработке допамина и серотонина связывается с наличием практически у всех пожилых людей депрессивных состояний.

Гибель нейронов, действительно неизбежна, в год исчезает примерно 1 процент от их количества. Но есть и хорошие новости. Последние исследования показали, что в коре головного мозга есть особенный участок, именуемый гипокаммом. Именно в нем генерируются новые чистые нейроны. Подсчитано примерное количество генерируемых ежедневно нервных клеток – 1400.

В науке обозначилось новое понятие «нейропластичность», обозначающее возможность мозга регенерироваться и перестраиваться. Но есть одна тонкость: новые нейроны еще не имеют никакого опыта и наработанных связей. Поэтому с возрастом или после заболевания мозг нужно тренировать, как и все иные мышцы тела: получать новые знания, анализировать происходящие события и явления.

Подобно тому, как мы усиливаем бицепс при помощи гантели, активизировать процесс включения новых нервных клеток можно следующими способами:

Механизм возрождения прост. У нас имеются совершенно не задействованные новые клетки, которые нужно заставить работать, а сделать это можно лишь путем постановки новых задач и изучения неизвестных предметных сфер.

Источник

Как работает наш мозг: что нужно знать о нейронах и нейронных связях

В последнее время модно говорить нейронах, нейронных связях и возможностях нашего мозга. Но что все это значит с научной точки зрения? Правда ли, что для здорового развития ребенка забота и любовь гораздо важнее арифметики и чтения? Публикуем отрывок из книги «Медицина для умных. Современные аспекты доказательной медицины для думающих пациентов», которая уже на этой неделе появится в продаже.

Книгу «Медицина для умных. Современные аспекты доказательной медицины для думающих пациентов» подготовили врачи клиники «Рассвет» — единственной клиники доказательной медицины в Москве. Автор этого отрывка — прекрасный врач-невролог Анна Мороз, которая, к большому сожалению, погибла в неравной схватке с Covid-19.

Америку я не открою, структурной единицей мозга является нервная клетка — нейрон. Нейрон — клетка очень специфическая и очень отличается от остальных клеток организма человека.

Во-первых, эти клетки действительно не делятся. Есть ткани и органы в человеческом теле, клетки которых постоянно делятся и обновляются на протяжении жизни. Это и кожа, и слизистые, и ростовые зоны ногтей и волос. Клетки же нервной системы к моменту рождения уже практически не делятся, по мере взросления и развития детского мозга нейроны взрослеют вместе с ним. Они увеличиваются в размерах, обрастают многочисленными отростками и учатся коммуницировать друг с другом.

Во-вторых, нейроны — клетки очень крупные. Некоторые из нейронов могут достигать метра в длину и тянутся от головы до спинного мозга.

Эта длина достигается как раз за счет клеточных отростков, способных прорасти на половину длины туловища хозяина. Любознательные ученые даже пытались примерно рассчитать длину аксонов нервных клеток коры и получили значение около 1600 км!

В-третьих, нейроны очень чувствительные и хрупкие клетки. Это и понятно, имея такую длину, очень просто не уследить за каким-нибудь далеко убежавшим отростком и повредить его, да еще и поделиться и восстановить свою численность не выходит.

Именно поэтому мозг очень чувствителен к любым воздействиям, будь то дефицит кровоснабжения, инфекция, интоксикация или травма. Так что нейроны свои беречь надо с юных лет.

Как наш мозг развивается

Для того чтобы понять, насколько важны нейронные связи, расскажу пару слов о том, как развивается и созревает мозг у ребенка. Мозг младенца, только что появившегося на свет, очень недоразвит. Если детеныши большинства млекопитающих с первых дней способны передвигаться, то детеныш человека совсем ничего не умеет. На момент рождения у человека имеются только первичные корковые поля, нет ни памяти — вторичной коры, ни умения обобщать и анализировать информацию — третичной коры. Но, что очень интересно, все нейроны у малыша уже есть. На самом деле примерно к концу II триместра беременности все нейроны будущей коры головного мозга уже на месте, а после рождения нервные клетки не делятся и не поднимают свою численность.

Более того, ученые полагают, что во внутриутробном периоде нейронов закладывается слишком много, про запас, и перед родами приличная часть из них погибает за ненадобностью.

Весь процесс созревания мозга ребенка, освоение двигательных навыков, обучение и интеллектуальное развитие — это постоянное образование новых клеточных отростков и новых межнейронных взаимодействий. За первые 5-6 лет мозг ребенка увеличивается в размерах в четыре раза, и все это за счет ветвления нейронов. В этот период уровень межклеточного взаимодействия максимально высок и превышает таковой взрослого человека.

Обычного окружения, освоения мира, общения с людьми и положительных эмоций вполне достаточно, чтоб мозг среднестатистического ребенка развился в полноценный крупный шустро работающий орган.

Сразу хочу оговориться, что особой разницы между детьми, которых родители таскают с пеленок на сотни развивашек и кружков, и детьми, коротающими счастливое детство в деревне среди цветов, бабочек и рогатого скота, нет.

А вот что действительно важно для формирования мозга ребенка — это положительное эмоциональное подкрепление: любовь, похвалы, привязанность и чувство безопасности. Любовь ребенку нужна как воздух, малыша нельзя «залюбить».

Ребенок с сотней ненужных в его нежном возрасте навыков вроде кунг-фу, беглого чтения в 3-4 года и верховой езды (если вы, конечно, не растите профессионального спортсмена) и дефицитом родительской любви будет развиваться хуже и менее гармонично, нежели детеныш залюбленный, но не умеющий делать тройной тулуп на льду. А объясняется это все довольно просто. Когда малыш растет в стрессе, нехватке любви и заботы, постоянно переживает о том, придет ли мама с работы, ударит ли папа за разбитую тарелку, будут ли наконец совместные выходные или опять няня, включающая мультики «на отвали» и запрещающая хулиганить, то в его небольшом организме вырабатывается много гормона — кортизола.

Кортизол — гормон надпочечников, попадающий в кровь в стрессовых ситуациях. Доказано, что длительное повышение уровня кортизола в крови замедляет процессы развития мозга. У детей, растущих в условиях стресса, замедлены процессы формирования новых синапсов, снижается познавательная активность и когнитивные функции.

Не будем о грустном, возьмем ребенка, который растет в любви и спокойствии. Как только чадо научилось полноценно двигаться, перестало быть неуклюжим, научилось говорить, попадать ложкой в рот и освоило худо-бедно азы счета и письма, количество связей между нейронами несколько снижается. Ведь самое сложное, чему мог научиться человек, он уже сделал.

Но эта удивительная способность нейронов в любой момент образовывать новые связи друг с другом, когда хозяин пытается освоить новый навык (иностранный язык, письмо левой рукой при переломе правой, верховую езду или еду китайскими палочками), сохраняется и обусловливает невероятную пластичность и обучаемость мозга.

Есть в головном мозге еще один тип клеток, они формируют странную субстанцию — глию. Глия — это собирательный термин для ненейрональных клеток мозга. Они выполняют вспомогательную функцию, поддерживают нейроны и вырабатывают миелин, ту самую белую изоляцию нервных проводов, помните? И глиальные клетки как раз сохраняют свою способность делиться и обновляться на протяжение жизни человека. И это понятно, ведь если нейроны постоянно удлиняются, ветвятся и расползаются по голове, то их отростки постоянно надо окутывать новой изоляцией, чтобы информация была доставлена вовремя и в нужном направлении.

Что такое коннектом и нейронные связи

В 2005 году был введен термин «коннектом». Он подразумевает все нейроны и все связи между ними. Примерно тогда же возникла и целая область нейронауки — коннектомика. Цель ее — картирование мозга и изучение нейрональных связей.

У исследователей еще недостаточно ресурсов для полноценного изучения коннектома человека, не хватает ни знаний, ни мощности аппаратуры, однако определенные шаги в этом направлении уже сделаны. Изучены отдельные участки мозга человека, выделены некоторые нейронные сети, которые оказываются очень важными в работе головного мозга и всего организма человека.

Мы рождаемся с фиксированным числом нейронов, все последующее обучение, освоение навыков и адаптация к окружающему миру происходят за счет непрерывного образования новых нейрональных связей.

У каждого человека они уникальны и формируются по мере переживания им нового опыта. Если сравнить двух близнецов, абсолютно идентичных и внешне, и по набору генов, выяснится, что они все равно во многом будут различаться в своем поведении. Это и есть работа коннектома.

Можно ли обогатить коннектом

Безусловно, многие вещи обусловлены генетически. Например, способность нейронов ветвиться, скорость, с которой нейроны могут образовывать новые связи, количество миелина, окутывающего нервные волокна. Но триггером для построения новых межнейронных контактов служит именно внешний стимул, оживленная беседа с товарищем, поход на выставку, попытка разгадать секрет простых чисел или вышивание крестиком.

Память, интеллект, личность — закодированы в соединениях между нейронами и постоянно меняются в ответ на действия человека. Получается, сущность человека — это уникальная комбинация его генов, данных ему в момент зачатия, и постоянного воздействия окружающего мира.

Конечно, это всего лишь одна из гипотез, которая пока доказана не полностью, но она очень стройна и логична. Бессмысленно насильственным путем обучать ребенка, которому счет дается сложнее, чем одноклассникам; или рассчитывать, что один брат будет так же лихо играть на скрипке, как второй. Если нейроны образуют связи с разной скоростью, то и новый навык осваивается у каждого в свое время и со своей скоростью.

Надо просто искать индивидуальный подход к каждому человеку, чтобы понимать, в каких условиях ему комфортнее обучаться (т. е. какие должны быть дополнительные сигналы, поступающие от внешнего мира к мозгу, чтобы образовались новые нейронные связи). Я, например, всю школу делала уроки под музыку, обычно что-то из Led Zeppelin, чтоб уж наверняка, чем, конечно, вводила родителей в недоумение. Но потом поняла, что это не просто подростковые понты, мне так действительно легче и проще училось. А когда я готовилась к сессиям в университете и повторяла про себя не поддающиеся запоминанию каскады биохимических и физиологический реакций, обязательно нарезала круги по своей комнате. Вот так, сидя не запоминается, а при движении — легко!

Наша память, как полагается, также закодирована в межнейронных связях. Любопытно, что и при нормальном старении, и при различных заболеваниях мозга, приводящих к снижению памяти, первыми забываются недавние события. Сначала это обычная забывчивость: куда я положила свои очки? Как зовут женщину, с которой я познакомилась на той неделе? Постепенно снижение памяти может прогрессировать, но забываются, как правило, именно недавние события, в то время как воспоминания детства и юности в мельчайших подробностях долгое время остаются сохранными. Вероятно, и это явление отчасти можно объяснить с точки зрения коннектома.

Чем раньше появилось в голове воспоминание, тем больше на протяжение жизни мы его освежали в памяти и переживали заново сладкие, а может, и наоборот, пугающие моменты прошлого. Каждое возвращение к воспоминанию укрепляет связи между нейронами, хранящими его.

Это правомочно и для эмоционально окрашенных событий прошлого, ведь не секрет, что яркие происшествия западают в память куда глубже. Это объясняется тем, что эмоции, как позитивные, так и негативные, служат дополнительным мощным стимулом для образования новых межклеточных контактов.

Так вот, чем больше контактов хранит воспоминание, тем крепче оно держится в голове, тем дольше оно будет с нами, пока мы стареем. А свежие воспоминания, полученные стареющим мозгом, который медленно и не всегда охотно образует новые связи, остаются поверхностными и не вызывают массивного образования новых синапсов, а потому и легко покидают нашу голову, вылетая в ухо.

Забегая немного вперед, хочется сказать пару слов о том, как поддерживать свой мозг в рабочем состоянии и профилактировать когнитивные нарушения, неизбежные при старении.

Исходя из всего вышесказанного вполне логично предположить, что нейронные связи образуются тем активнее, чем насыщеннее и разнообразнее поступает к мозгу информация.

Второй факт, с которым, как это ни прискорбно, не поспоришь, заключается в том, что с возрастом и количество самих нейронов, и количество взаимосвязей между ними, и даже скорость образования этих связей снижается.

Делаем очевидный вывод: с юных лет надо вести разнообразную, богатую впечатлениями жизнь, развивать навыки многогранно (и творчество, и спорт, и иностранные языки, и чтение), получать положительное эмоциональное подкрепление (путешествия, театры, концерты, вкусная еда), много двигаться (да-да, движение активирует колоссальное количество нейронов в головном мозге, давно известно, что двигательная активность очень полезна для нервной системы), общаться с людьми.

Все эти виды активности банально повышают количество межнейронных связей и способствуют обогащению коннектома. При старении (а особенно при нейродегенеративных заболеваниях) и гибели нервных клеток мягче и незаметнее когнитивные нарушения будут обуревать тот мозг, чьи нервные связи многочисленнее. Заботиться о своем мозге и коннектоме надо с детства, с головой подходить к выбору профессии, хобби, планированию досуга и отпуска, выбору круга общения.

Источник

Что особенного в мозге человека?

Что особенного в мозге человека?

Морфологическая реконструкция нейрона коры мозга человека. Внизу показаны подпороговые осцилляции трансмембранного потенциала нейрона в биофизической модели. На фоне показаны человеческие нейроны 2/3 слоя коры, окрашенные с помощью антител.

Автор

Редакторы

Нейроны человека и других млекопитающих очень похожи, если смотреть «издалека». Тем не менее есть и важные различия. Недавно ученые из Института Аллена (среди которых и автор этой статьи) опубликовали работу в журнале Neuron, где показали, что возбудимости нейронов мозга человека и мыши заметно различаются. Оказалось, что нейроны коры мозга человека имеют гораздо большее количество HCN-каналов, которые особым образом влияют на возбудимость нейронов. Что это значит с точки зрения эволюции и какой эффект оказывает на поведение отдельных нейронов?

Довольно долго считалось, что базовые элементы нервной системы — нейроны — всех млекопитающих похожи друг на друга. Такую мысль высказывал, например, Сантьяго Рамон-и-Кахаль [1]. Нейрон получает входные сигналы от других нейронов за счет синапсов, которые расположены на дендритах и соме [2]. В результате меняется величина трансмембранного потенциала [3], и если она превышает порог, то нейрон генерирует потенциал действия, или спайк (от англ. spike — шип). После этого спайк распространяется по аксону и активирует другие нейроны, с которыми он связан с помощью синапсов. Несмотря на схожие свойства нейронов животных, ученые получают всё большее количество данных о том, что отдельные детали значительно различаются.

Мозги человека и других млекопитающих очень похожи. Именно это позволяет нам, изучая мозг других животных, узнать что-то о своем собственном. В частности, структура коры мозга, появившейся позже всего в течение эволюции, очень схожа у всех млекопитающих. Именно она отвечает за множество высших психических функций (восприятие, память, речь), которыми мы обладаем.

Но если кора у нас и мышек устроена одинаково, почему же мышки не играют на скрипке и не делают научные открытия, а люди на это способны хотя бы изредка? Иными словами, что делает нас особенными по сравнению с другими млекопитающими?

Довольно давно стало понятно, что это очень сложный вопрос, на который существует много разных ответов. Один из них наша научная группа пытается дать в Институте Аллена (Allen institute for brain science), изучая и сравнивая нейроны человека и мыши. Наша работа была недавно опубликована в международном журнале Neuron [4].

Известно, что объем мозга человека и площадь коры увеличивались в ходе эволюции очень быстро. За последние 75 миллионов лет площадь коры мозга человека стала больше примерно в 1000 раз по сравнению с общим предком мыши и человека. Поэтому нейроны человеческого мозга должны были адаптироваться к эволюционно быстрым изменениям его свойств.

Кора млекопитающих обладает удивительно сложной анатомической организацией. Она состоит из шести слоев клеток, которые связаны между собой. В каждом слое есть возбуждающие и тормозные нейроны разных типов. Типы нейронов отличаются между собой по форме дендритного дерева, по возбудимости мембраны и специальным белкам, которые позволяют «увидеть» эти нейроны с помощью иммуногистохимических методов [5]. Зачастую в коре нейроны определенных типов связаны между собой строго специфическим образом, поэтому, анализируя активность нейронов, важно знать, к какому типу они относятся.

Чтобы не сравнивать яблоки с апельсинами, мы рассмотрели свойства самых часто встречающихся нейронов коры — пирамидальных нейронов 2/3 слоя. Поскольку границу между вторым и третьим слоем анатомически сложно провести, нейроны этих слоев объединяют вместе как нейроны 2/3 слоя. Именно этот слой самый толстый в коре человека по сравнению с корой мыши. Нейроны именно этого слоя коры наиболее сильно изменились у человека по сравнению с другими млекопитающими. Ширина 2/3 слоя около одного миллиметра, и он толще других слоев примерно в 2–3 раза.

Изучая ответы отдельных нейронов в этом слое коры, мы обнаружили, что нейроны человека и мыши по-разному отвечают на электрические стимулы (рис. 1). Оказалось, что нейроны одного и того же 2/3 слоя коры у мыши и человека обладают различными резонансными частотами (рис. 1 в и г). Иными словами, при предъявлении стимула (ток, подаваемый в нейрон), нейроны человека и мыши по-разному на него отвечают. Нейроны человека обладают резонансами более высокой частоты, при этом частота этих резонансов зависит от глубины расположения нейронов в коре. Чем глубже эти нейроны в слое 2/3 у человека, тем выше их частота (рис. 1 в и г). При этом частота резонансов у мыши гораздо ниже и увеличивается медленнее при продвижении в глубину в слоя 2/3.

Рисунок 1. Нейроны человека и мыши обладают различными резонансными свойствами. а — Подпороговый ответ нейронов мыши 2/3 слоя коры в ответ на синусоидальный стимул с увеличивающейся амплитудой. Сверху показан ответ нейронов верхней части 2/3 слоя коры, снизу — ответ более глубоких нейронов того же слоя. Справа показан спектр частоты колебаний и электрический импеданс трансмембранного потенциала в ответ на синусоидальный стимул наверху и внизу слоя 2/3. б — То же самое для нейронов человека. в — Слева показана резонансная частота нейронов мыши 2/3 слоя в зависимости от глубины внутри этого слоя (резонансная частот соответствует пику в спектре на панели а справа). Справа показано отсечение спектра после трех децибел. г — тоже самое для нейронов человека. Результаты, относящиеся к нейронам мыши, показаны черным; к нейронам человека — красным.

Для того чтобы объяснить эти физиологические свойства нейронов человека, мы проанализировали биофизические свойства нейронов коры человека и мыши. Дело в том, что в генерации спайков, а также в поддержании трансмембранного потенциала участвует большое количество различных белков (преимущественно ионных каналов). Основными являются натриевые и калиевые каналы, но также существует большое количество других белков, которые изменяют свойства потенциала действия и синапсов. Так, одна из наших прежних работ посвящена изучению связи эпилепсии с гомеостазом ионов хлора в нейронах мозга [6].

Одними из таких каналов, тонко настраивающих сигнализацию нейронов, являются HCN-каналы, пропускающие ионы калия при гиперполяризации мембраны. Это явление необычно тем, что «обычные» потенциал-чувствительные каналы открываются при деполяризации (потенциал идет «вверх»), а этот тип каналов — напротив, при гиперполяризации (потенциал идет «вниз») трансмембранного потенциала. Поэтому данный ток получил специальное обозначение — h-ток, напоминающее о его hyper-активации (hyperpolarization activated в названии канала — (англ.) активирующийся благодаря гиперполяризации).

Когда нейрон получает отрицательный синаптический вход от тормозных нейронов, это приводит к активации h-тока. Но после того как стимуляция исчезает, возникает кратковременная деполяризация мембраны нейрона, что часто приводит к генерации спайков. Иными словами, действие h-тока похоже на пружину, которую сначала сжимают (отрицательный вход), а потом резко отпускают (отсутствие стимуляции), после чего она распрямляется еще больше, чем в изначальном состоянии. Эти каналы есть не только в нейронах мозга: их также можно обнаружить в кардиомиоцитах сердца [7], где они помогают синхронизировать активность клеток во время сердечных сокращений.

Мы обнаружили, что в мембране человеческих нейронов 2/3 слоя есть особенно большое количество h-тока, анализируя ответы нейронов в ответ на электрические стимулы (рис. 1). Анализ мРНК из тех же нейронов подтвердил эти результаты и показал, что в клетках 2/3 слоя коры человека имеется гораздо большее количество фрагментов, кодирующих HCN1-каналы (подтип HCN-каналов). В нейронах коры мыши тоже имеется большое количество HCN1-каналов, но их не так много, как в нейронах человека (рис. 2). Более того, оказалось, что HCN1-каналов больше в каждом слое коры человека, а не только в слое 2/3. Чтобы понять, что значат эти данные в отношении отдельных клеток, мы совместно использовали электрофизиологию и математическое моделирование.

Рисунок 2. Оценка уровня экспрессии генов, кодирующих HCN-каналы, в нейронах человека (а) и мыши (б). Все данные получены на основании анализа мРНК, извлеченной из ядер отдельных нейронов разных слоев коры (L1–6 и тормозных нейронов всех слоев Inh). Результаты приведены в единицах RPKM (англ. Reads Per Kilobase Million — количество прочтений (гена HCN1) на один миллион пар оснований).

Некоторые подробности нейронного моделирования приведены в статье «От живого мозга к искусственному интеллекту» [8].

Рисунок 3. Биофизическая модель нейрона человека. а — Стимуляция биологического нейрона и математической модели стимулом с увеличивающейся частотой с помощью электрического тока. б — Спектр колебаний трансмембранного потенциала в ответ на стимуляцию с панели а. Черным показан стимул, зеленым — ответ биологического нейрона 2/3 нейрона коры, красным — ответ модели со включенными h-каналами (Ih(+)), синим — ответ модели с выключенными h-каналами (Ih(−)).

Рисунок 3. Биофизическая модель нейрона человека. в — Трехмерная реконструкция нейрона коры слоя 2/3. Красными кругами показано положение глутаматных синапсов [9]. г — Задержка между активностью синапса на дендритном дереве и ответом на соме нейрона в зависимости от расстояния от синапса до сомы. Красным показан ответ модели в присутствии h-тока (Ih(+)), синим — когда h-ток отсутствует (Ih(−)). д — Спектр колебаний трансмембранного потенциала на соме в модели с h-током и без h-тока в ответ на стимуляцию с помощью 1000 синапсов. Черные линии наверху соответствуют различным диапазонам частот, средние величины которых достоверно отличаются, в частности в тета-диапазоне.

Используя эту модель, мы воспроизвели поведение нейрона, когда он находится в нейронной сети коры. Для этого мы стимулировали модель нейрона с помощью 1000 глутаматных синапсов [9], каждый из которых активировался случайно со средней частотой около 4 Гц (рис. 3д). Поскольку разряды нейронов в большой сети генерируются случайно или хаотически [10], их можно описывать с помощью случайных процессов.

В ответ на синаптическую стимуляцию происходят колебания мембранного потенциала нейрона. Чтобы понять свойства этих колебаний, мы проанализировали их частоту в модели с h-током и без него (рис. 3). Оказалось, что h-ток позволяет нейрону лучше проводить колебания в тета-диапазоне (4–10 Гц) от дендритов к соме. При этом сами колебания мембранного потенциала генерируются синапсами, расположенными на дендритном дереве (рис. 3). Также мы обнаружили, что скорость проведения сигнала от дендритов к соме увеличивается при наличии h-тока (рис. 3д). Это происходит за счет способности HCN-каналов делать мембрану нейронов чуть более возбудимой, что приводит к более быстрому проведению изменений потенциала от дендритов к соме.

Дело в том, что человеческие нейроны гораздо больше нейронов мыши. Объем мозга и размер нейронов быстро увеличивались в ходе эволюции млекопитающих. С одной стороны, большой нейрон может связаться с бóльшим числом других нейронов, что позволяет более эффективно проводить информацию в сети; с другой стороны, скорость обработки информации в больших нейронах меньше, чем в маленьких. Вероятно, большое количество h-тока было одной из эволюционных адаптаций, которые позволили поддерживать прежнюю скорость проведения потенциалов действия, несмотря на бóльший размер нейронов. Этот механизм может быть особенно важен для более глубоких слоев коры (рис. 1), поскольку нейроны 2/3 слоя должны получать информацию от нейронов первого слоя коры с такой же задержкой, как и нейроны верхнего слоя 2/3.

Сравнивая нейроны человека и других животных, мы надеемся постепенно понять, что именно делает мозг человека особенным. Возможно, разница между мозгом человека и мыши такая же, как между игровой приставкой и суперкомпьютером. Оба они построены на микропроцессорах, но суперкомпьютер обладает гораздо большей производительностью за счет более быстрых элементов и большего их количества. В ближайшем будущем мы планируем изучить свойства нейронов коры человека и мыши во всех слоях коры и в разных ее областях. Это поможет нам понять, что делает мозг человека особенным по сравнению с мозгом других млекопитающих [11]. С практической точки зрения это позволит разрабатывать более эффективные лекарства, которые будут лучше работать для нейронов человека за счет особенных свойств наших с вами ионных каналов.

Источник