Исследование расшифровывает, как одна нервная клетка может размножаться

Нейроны постоянно выполняют сложные вычисления, чтобы обработать сенсорную информацию и сделать вывод о состоянии окружающей среды. Например, чтобы локализовать звук или определить направление визуального движения, отдельные нейроны перемножают два сигнала. Однако, как происходит такое перемножение, оставалось загадкой на протяжении десятилетий. 

Исследователи из Института биологического интеллекта имени Макса Планка обнаружили у плодовых мушек биофизическую основу, которая позволяет определенному типу нейронов перемножать два входящих сигнала. Это дает фундаментальное представление об алгебре нейронов - вычислениях, которые могут лежать в основе бесчисленных процессов в мозге.

Мы легко распознаем объекты и направление, в котором они движутся. Мозг вычисляет эту информацию на основе локальных изменений интенсивности света, регистрируемых нашей сетчаткой. Вычисления происходят на уровне отдельных нейронов. Но что означает, когда нейроны вычисляют? 

В сети сообщающихся нервных клеток каждая клетка должна рассчитать свой исходящий сигнал на основе множества входящих сигналов. Определенные типы сигналов увеличивают, а другие уменьшают исходящий сигнал - процессы, которые неврологи называют "возбуждением" и "торможением".

Теоретические модели предполагают, что для того, чтобы увидеть движение, необходимо перемножить два сигнала, но как такие арифметические операции выполняются на уровне отдельных нейронов, ранее было неизвестно. Исследователи из отдела Александра Борста в Институте биологического интеллекта имени Макса Планка теперь решили эту загадку на конкретном типе нейронов.

Ученые сосредоточились на так называемых клетках Т4 в зрительной системе плодовой мушки. Эти нейроны реагируют на визуальное движение только в одном конкретном направлении. 

Ведущим авторам работы Йонатану 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 миниатюрные электроды для записи электрической активности нейронов. Поскольку клетки Т4 являются одними из самых маленьких среди всех нейронов, успешные измерения стали важной методологической вехой.

Вместе с компьютерным моделированием данные показали, что активность клетки Т4 постоянно заторможена. Однако, если визуальный стимул движется в определенном направлении, торможение кратковременно снимается. В течение этого короткого промежутка времени входящий возбуждающий сигнал усиливается: Математически постоянное торможение эквивалентно делению; снятие торможения приводит к умножению.


Способность клетки Т4 к размножению связана с определенной молекулой рецептора на ее поверхности.