Ученые обнаружили скрытую информацию в форме электрических сигналов нейронов

Фото из открытых источников

Нейробиологи часто регистрируют активность нейронов как последовательность простых событий: клетка производит электрический импульс или нет. Время и частота появления этих импульсов могут многое рассказать исследователям о мозге.

Однако в новом препринтном исследовании, возможно, обнаружена деталь, которую этот подход упускает из виду. Препринт исследования размещен на сервере bioRxiv.

Электрические искры, генерируемые нейронами и длящиеся миллисекунды, не все одинаковы. Их форма, по-видимому, дает представление о том, что клетка недавно пережила. Это означает, что электрический сигнал может передавать больше информации, чем простая двоичная метка, используемая для его представления.

Нейробиолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего Брэдли Войтек рассказал, что эти электрические импульсы, известные как потенциалы действия, выглядят как простые, однородные пики только при наблюдении с расстояния.

Исследование еще не прошло рецензирование, и исследователи призывают к осторожности до его завершения. Но оно дополняет растущее представление о том, насколько детально может быть проанализирован один нейронный сигнал.

«Потенциал действия выглядит как „всплеск“ только при отдалении от объекта, но если увеличить масштаб и посмотреть на его полную форму волны, которая длится всего около миллисекунды, то форма этой кривой напряжения кое-что говорит о том, что недавно произошло с этим нейроном», — сказал Войтек. «Когда мы превращаем потенциал действия в бинарное событие, мы отбрасываем информацию о его недавнем входном сигнале».

Исследователи сначала изучили записи активности двух нейронов мыши в той части мозга, которая отвечает за зрение. Когда клетки получали разные электрические токи, изменялись такие характеристики, как высота сигналов и скорость падения напряжения.

Эти токи включали постоянный входной сигнал, сигнал, постепенно нарастающий, и колеблющийся входной сигнал, известный как розовый шум. Записи, сделанные внутри клеток другими исследователями, фиксировали небольшие изменения в каждом электрическом импульсе.

В одном нейроне модель машинного обучения, используя только форму сигнала, различила три типа электрической стимуляции с точностью 78,4%. Записей из второго нейрона оказалось недостаточно для проведения аналогичного теста.

Форма сигнала также давала подсказки о том, насколько сильным или переменным был входящий ток. Некоторые из этих подсказок относились к периоду за полсекунды до электрического импульса. Это дольше, чем сам импульс, который длится около миллисекунды.

Затем исследователи изучили записи мозговой активности крыс. На этот раз они исследовали нейроны, активные сами по себе, а не клетки, подвергнутые воздействию определенного электрического тока.

В 30 из 40 исследованных нейронов сигналы от одной и той же клетки попадали в несколько различных групп форм.

В небольшом количестве нейронов различия были настолько велики, что сигналы от одной и той же клетки могли выглядеть так же по-разному, как сигналы от разных нейронов. В большинстве клеток различия были меньше.

Исследователи также сравнили форму сигнала с электрической активностью вокруг клетки. В большинстве нейронов форма сигнала лучше предсказывала силу находящегося рядом электрического сигнала, чем простое время между импульсами.

Статистически значимая взаимосвязь была обнаружена в 87–90 процентах клеток, хотя ее прогностическая ценность обычно была невысокой.

В клетке с наиболее сильной взаимосвязью форма ее импульсов объясняла около 64 процентов вариации одного из показателей электрической активности в близлежащих клетках. Этот результат был получен на основе данных по выбранной клетке; большинство клеток демонстрировали гораздо более слабые взаимосвязи.

Значит ли это, что нейроны изменяют форму своих сигналов, чтобы передавать друг другу скрытое сообщение?

Это та часть головоломки, которой до сих пор не хватает.

«К сожалению, наши данные не позволяют напрямую определить, передает ли форма пика информацию другим нейронам», — сказал Войтек.

Исследование показывает, что форма сигнала связана с электрическим входным сигналом, который клетка получила недавно, и с активностью вокруг него.

Он ссылается на более ранние исследования, показывающие, что изменение ширины электрического импульса может изменить количество кальция, поступающего в нейрон, что, в свою очередь, может повлиять на то, что он передает другим клеткам. Происходит ли это в данном случае, еще предстоит проверить.

Записи, полученные в ходе экспериментов с использованием различных электрических токов, были сделаны всего на двух клетках. Оба набора данных изначально были собраны для других целей. Поэтому мы пока не знаем, насколько распространены эти закономерности в других частях мозга или среди других типов нейронов.

Есть и другая сторона полученных результатов.

Ученые могут использовать форму сигналов в записях активности мозга, чтобы определить, сколько разных нейронов они отслеживают. Если одна клетка может производить сигналы различной формы, эта задача может оказаться сложнее, чем мы думали.

Главный вопрос остается открытым. Регистрируя момент генерации сигнала нейроном, мы можем упускать из виду информацию, содержащуюся в форме сигнала. Возможно, еще один ключ к пониманию электрического языка мозга кроется в форме искры.