Команда исследователей из Тюбингена и Израиля раскрывает, как структуры мозга могут поддерживать функцию и стабильную динамику даже в необычных условиях. Их результаты могут заложить основы для лучшего понимания и лечения таких состояний, как эпилепсия и аутизм.
Нейроны мозга связаны друг с другом, образуя небольшие функциональные единицы, называемые нейронными цепями. Нейрон, связанный с другим через синапс, может передавать информацию второму нейрону, посылая сигнал. Это, в свою очередь, может побудить второй нейрон передать сигнал другим нейронам в нейронной цепи. Если это произойдет, первый нейрон, скорее всего, будет возбуждающим нейроном: тем, который побуждает срабатывать другие нейроны. Но нейроны с прямо противоположной задачей не менее важны для функциональности мозга: тормозящие нейроны, что снижает вероятность того, что нейроны, с которыми они связаны, отправят сигнал другим.
Взаимодействие возбуждения и торможения имеет решающее значение для нормальной работы нейронных сетей. Его нарушение регуляции связано со многими неврологическими и психическими расстройствами, включая эпилепсию, болезнь Альцгеймера и расстройства аутистического спектра.
Интересно, что доля тормозящих нейронов среди всех нейронов в различных структурах мозга (таких как неокортекс или гиппокамп) остается неизменной на протяжении всей жизни человека и составляет 15-30%. «Это вызвало у нас любопытство: насколько важна эта конкретная пропорция?» вспоминает Анна Левина, научный сотрудник Тюбингенского университета и Института биологической кибернетики Макса Планка. «Могут ли нейронные цепи с разным соотношением возбуждающих и тормозных нейронов нормально функционировать?» Ее сотрудники из Института науки Вейцмана в Реховоте (Израиль) разработали новый эксперимент, который позволил бы ответить на эти вопросы. Они выращивали культуры, содержащие разные, даже экстремальные соотношения возбуждающих и тормозных нейронов.
Затем ученые измерили активность этих искусственно созданных тканей мозга. «Мы были удивлены, что сети с различным соотношением возбуждающих и тормозных нейронов оставались активными, даже когда эти отношения были очень далеки от естественных условий», — объясняет доктор Левиной. студент Олег Виноградов. «Их активность кардинально не меняется, пока доля тормозных нейронов остается где-то в диапазоне от 10% до 90%». Кажется, что нейронные структуры могут компенсировать свой необычный состав, чтобы оставаться стабильными и функциональными.
Итак, естественно, исследователи задали следующий вопрос: какой механизм позволяет тканям мозга адаптироваться к этим различным условиям? Исследователи предположили, что сети адаптируются, регулируя количество соединений: если тормозящих нейронов мало, они должны брать на себя большую роль, создавая больше синапсов с другими нейронами. И наоборот, если доля тормозящих нейронов велика, возбуждающие нейроны должны компенсировать это установлением большего количества связей.