Изучение истоков настройки возбуждающих и тормозных нейронов в постсубикулюме.

Клетки головного мозга можно разделить на две категории: тормозные и возбуждающие нейроны. Возбуждающие нейроны — это клетки, которые поддерживают генерацию электрических импульсов в постсинаптических нейронах, тем самым вызывая активацию клеток в определенных областях мозга. С другой стороны, тормозные нейроны способствуют подавлению этих электрических импульсов и, таким образом, снижению активности в определенных областях мозга.

Баланс между торможением и возбуждением способствует здоровому функционированию мозга. Хотя нейробиологические процессы, лежащие в основе тонкой настройки возбуждающих нейронов, сейчас хорошо изучены, процессы, лежащие в основе точной настройки тормозных нейронов, остаются неуловимыми.

Исследователи из Университета Макгилла и Эдинбургского университета провели исследование, направленное на лучшее понимание принципов, управляющих тонкой настройкой как возбуждающих, так и тормозных нейронов в постсубикулуме мыши, области медиальной височной доли мозга, которая, как известно, поддерживает пространственную навигацию и память.

Их выводы, опубликованные в Природа Нейронаукиподтвердили гипотезу о том, что эквивалентная настройка возбуждающих и тормозных нейронов является внутренним свойством локальных корковых сетей.

«Наша лаборатория интересуется тем, как информация о внешнем мире отражается на активности отдельных клеток мозга», — рассказал Medical Xpress Адриан Душкевич, ведущий автор исследования.

«Мозг млекопитающих состоит из миллионов клеток головного мозга, называемых нейронами, образующих миллиарды связей, и взломать его код, зная об активности лишь части этих клеток мозга, является сложной задачей. Тем не менее, в некоторых частях мозга активность отдельные нейроны относительно легко интерпретировать, и если мы изучим такие цепи подробно, мы сможем открыть некоторые более общие принципы того, как активность отдельных клеток мозга связана с внешним миром».

К клеткам, которые участвуют в довольно простых паттернах активности, относятся нейроны первичной зрительной коры, которые становятся активными в ответ на зрительные стимулы. Другими примерами этих клеток являются клетки места в гиппокампе и клетки сетки в медиальной энторинальной коре, обе из которых демонстрируют модели активности, тесно связанные с местоположением животного в окружающей среде.

О существовании ячеек сетки было впервые открыто почти два десятилетия назад, а команда, открывшая их, получила Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2014 года.

«Как клетки места, так и клетки сетки относятся к классу «возбуждающих» клеток, то есть клеток мозга, которые активируют другие клетки мозга, с которыми они соединяются», — объяснил Душкевич. «Такие клетки составляют большинство нейронов коры головного мозга (~85%), тогда как оставшиеся нейроны в основном принадлежат к другому классу клеток, называемому «ингибирующими» клетками, которые снижают активность клеток, с которыми они соединяются».

Предыдущие исследования показали, что активность возбуждающих клеток, включая нейроны первичной зрительной коры и клеток места, тесно связана с особенностями окружающей среды. С другой стороны, тормозные клетки, как правило, постоянно активны, и их активность может лишь незначительно модулироваться внешними событиями.

Основная цель недавней работы Душкевича и его сотрудников заключалась в том, чтобы лучше понять происхождение тормозной клеточной активности. В частности, команда намеревалась определить, действительно ли активность этих клеток случайна или следует определенному шаблону.

«Для этого мы обратились к другой части коры головного мозга — области мозга, называемой постсубикулум, которая отвечает за чувство ориентации в пространстве», — сказал Душкевич. «Возбуждающие клетки в постсубикулуме называются «клетками направления головы», потому что каждая из них активна, когда животное смотрит в определенном направлении, и вместе они образуют мозговой эквивалент компаса, точно отслеживая ориентацию животного в окружающей среде».

Исследователи решили сосредоточить свои усилия на постсубикулуме мыши, поскольку известно, что эта область мозга имеет очень простой нейронный код. Простота кода позволила им составить карту активности отдельных нейронов, просто отслеживая направление движения мыши, когда она исследовала коробку.

«Мы использовали миниатюрные электродные матрицы, которые имплантировали в мозг мышей и нацеливали на постсубикулум», — сказал Душкевич. «Этот метод позволил нам отслеживать активность десятков отдельных нейронов, до 180 одновременно, пока мыши собирали хлопья в большом ящике».

Большинство нейронов, исследованных исследователями, а именно возбуждающие клетки направления головы мышей, были активны только тогда, когда мыши смотрели в определенном направлении. Команда также заметила некоторые тормозные нейроны, которые были активны все время, но, похоже, предпочитали, казалось бы, случайные наборы направлений.

«Когда мы более внимательно изучили характер активности нейронов в постсубикулуме или их «настройку» на направление движения животного, мы поняли, что настройка тормозных нейронов не была совершенно случайной», — сказал Душкевич. «Глядя только на их активность, мы смогли определить, в какую сторону в данный момент смотрит мышь, с такой же точностью, как и у возбуждающих клеток, а это означает, что их активность была значимой. Но что более важно, их модели активности выглядели так, как будто они суммировали активность все соседние возбуждающие нейроны — канонические клетки направления головы».

Интересно, что исследователи обнаружили, что на паттерны активности тормозных нейронов совершенно не влияют сигналы, поступающие из других областей мозга. Напротив, они, по-видимому, полностью определялись настройкой близлежащих возбуждающих нейронов.

Душкевич и его коллеги определили это взаимодействие между паттернами настройки возбуждающей и тормозной активности как «возбуждающую/тормозную эквивалентность». В частности, их результаты показывают, что паттерны настройки возбуждающих и тормозных клеток состоят из одних и тех же компонентов, а паттерны торможения представляют собой сумму паттернов возбуждения.

«Мы думаем, что это открытие приближает нас к пониманию того, как два класса нейронов, возбуждающие и тормозные клетки, работают вместе, создавая мысленную карту внешнего мира внутри мозга», — сказал Душкевич. «Это может быть особенно важно в эпоху искусственных нейронных сетей, поскольку накладывает некоторые ограничения на то, как отдельные узлы искусственных нейронных сетей должны отображаться во внешнем мире, если эти сети должны моделировать активность внутри реального мозга».

Результаты, полученные Душкевичем и его сотрудниками, проливают новый свет на локальное происхождение возбуждающей и тормозной настройки в мозге млекопитающих. Хотя их недавнее исследование было сосредоточено на постсубикулуме, команда надеется вскоре расширить свое исследование и изучить другие области мозга.

«До сих пор мы фокусировались только на одной нейронной цепи — постсубикулуме, потому что закономерности ее активности относительно легко понять», — добавил Душкевич.

«Однако теперь, когда мы знаем, на что обращать внимание, мы хотим подтвердить, что эту эквивалентность настройки возбуждающего/тормозного действия можно наблюдать в областях мозга с более сложной деятельностью, таких как клетки решетки в медиальной энторинальной коре. Наша будущая работа будет более внимательно изучать различные подклассы тормозных нейронов (которых много), чтобы увидеть, проявляют ли они какие-либо различия в своей настройке на ориентацию животного».

© 2024 Сеть Science X