Миниатюрные компьютеры в мозге человека

Самым мощным компьютером из известных в данное время является мозг. Серое вещество человека состоит примерно из 100 миллиардов нейронов, а также 1 квадрильона, то есть 1 миллиарда миллионов связей, известных как синапсы, которые соединяют эти клетки в единое целое. Каждый нейрон действует как ретранслятор электрических сигналов. Центральная часть нейрона называется сома. Тонкая, похожая на шнур ткань, известная как аксон, выходит из сомы и переносит нервный сигнал из нейрона, тогда как множество более коротких перемычек под названием дендриты, выходящие из другого конца сомы, передают нервный сигнал в нейрон.

Теперь же ученые выяснили, что дендриты могут оказаться чем-то большим, чем просто проводниками данных – они могут сами активно обрабатывать информацию.

«Получается, что вычислительная мощность мозга гораздо больше, чем мы считали раньше», - отмечает автор исследования Спенсер Смит, специалист в нейронауках из Университета Северной Каролины, США.

Электрические всплески

Нейроны обычно используют аксоны для генерирования импульсов электричества. Однако более ранние исследования выявили, что множество аналогичных молекул, которые поддерживают электрические всплески, присутствует и в дендритах,а эксперименты с мозговой тканью продемонстрировали, что дендриты могут использовать эти молекулы для самостоятельного производства электрических импульсов.

Было непонятно, нужны ли дендритные импульсы для нормальной активности мозга, и если это так, то какую роль они могут играть. Чтобы найти ответы на эти вопросы, Смит и его коллеги закрепили крошечные стеклянные трубки – пипетки к дендритам в тех участках мозга мышей, которые отвечают за обработку данных, полученных от сетчатки.

«Закрепление пипетки на дендрите – сложнейшая техническая задача, - рассказывает Спенсер Смит. – К дендриту не подступиться ни с какого направления. И его невозможно увидеть, а потому приходиться все делать вслепую. Это похоже на рыбалку, если все, что можно увидеть, - это электрический след рыбы».

Успешно закрепив пипетки на дендритах, ученые рассмотрели записи электрических сигналов от отдельных дендритов в мозге мышей. Пока грызуны смотрели на черно-белые полосы на компьютерном экране, исследователи зафиксировали необычный комплекс электрических сигналов в дендритах – целый ряд всплесков.

«Когда мы начали делать записи активности дендритов, то едва смогли поверить своим глазам, увидев множество всплесков, - говорит Спенсер. – Тогда как импульсы от аксонов похожи на изолированные, внушительные обелиски, то в сравнении всплески дендритов – это активные, динамичные события со скачками и падениями».

Свойства электрических сигналов от дендритов варьировались в зависимости от особенностей изображений, наблюдаемых мышами. Это предполагает, что на самом деле дендриты помогают мышам в обработке получаемой зрительной информации.

Миникомпьютеры

«Эта работа демонстрирует, что дендриты, которые долгое время считались просто туннелями для входящих в сому сигналов, в действительности играют ключевую роль в сортировке и интерпретации громадной информационной нагрузки, получаемой нейроном, - подчеркивает соавтор исследования Майкл Хоссер. – Таким образом, дендриты работают по принципу миникомпьютеров для идентификации и усиления особенных типов входящих сигналов».

«Представьте, что вы пытаетесь разобраться в устройстве из инопланетных технологий, и то, что вы считали обычной проводкой, оказывается транзисторами, обрабатывающими информацию, - комментирует Спенсер Смит. – Вот на что похоже это открытие. О возможных применениях даже страшно подумать».

В целом, как отмечает Смит, функции, которые, как ученые считали ранее, требуют работы целого нейрона, в действительности могут выполняться лишь одной частью разветвленной сети его дендритов. Это предполагает, что единственный нейрон может действовать как множество вычислительных блоков.

Однако при том, что дендритная активность, несомненно, повышает вычислительные мощности мозга, реальный прирост производительности подсчитать сложно.

В дальнейшем ученые собираются выяснить, какую роль активность дендритов может играть в других сферах деятельности мозга помимо зрения.

«Такая обработка данных дендритами, скорее всего, широко распространена во многих участках мозга различных видов животных, включая человека, - уверен Майкл Хоссер. – Это новое свойство дендритов добавляет важный элемент в набор инструментов для вычислительных свойств мозга».

Хотя это базовое исследование нацелено на изучение работы мозговых цепей, оно может также помочь в устранении расстройств головного мозга. «Есть болезни, которые могут радикально повлиять на импульсы дендритов, а также, соответственно, на функции мозга, - отмечает Спенсер Смит. – И мы можем использовать наши новые знания об импульсах дендритов для более детального изучения таких болезней».

Источник: facepla.net