Нейроны действуют как костяшки домино

Ученые определили цепные реакции, происходящие в мозге.

Неврологи из Массачусетского технологического института, исследуя мозговые схемы, управляющие птичьим пением, выявили цепную реакцию мозговой активности, которая, кажется, отвечает за выбор времени пения.

Точное чувство времени — это существенная часть выполнения задачи: об этом знает каждый, кто хоть раз брал в руки гитару или теннисную ракетку.

Пение зебровой амадины достаточно стереотипично. Каждая песня длится приблизительно 1 секунду и состоит из множества звуков, продолжающихся равное количество времени.

«Это значительная система подходит для изучения того, как мозг управляет активностью», сообщил Майкл Фи, старший автор исследования и член института изучения мозга МакГоверна.

Отделы мозга, вовлеченные в птичье пение, ученые определили, и еще ранее Фи с коллегами показали, что темп пения контролируется областью, известной как hardened voice circuit. В ходе односекундного пения отдельные нейроны в HVC запускают лишь один короткий всплеск активности в определенной точке времени пения.

Различные нейроны выстреливают в разное время, а потому активность этих нейронов представляет отрезок времени, за который голосовым органам отдаются корректные инструкции, соответствующие определенному моменту времени.

Но откуда нейроны HVC знают, когда им активизироваться? Ученые предложили несколько различных идей, одна из которых оказалась наиболее привлекательной — так называемая модель «синхронного выстрела», во время которой нейроны выстреливают в ходе цепной реакции: каждый из них задействует последующий, совсем как при падении костяшек домино.

В новом исследовании, результаты которого опубликованы в издании Nature, Фи с коллегами протестировали идею с помощью внутриклеточной регистрации — способ, который позволяет записать крошечные флуктуации напряжения отдельных нейронов HVC.

Ученые разработали метод, с которым можно вести такой учет, в то время как птица ведет себя естественно, свободно перелетает по клетке и поет.

Результаты ученых поддерживают модель цепной реакции домино. Когда отдельные нейроны выстреливают, они делают это так внезапно, как если бы по ним ударяла предстоящая костяшка. При этом не наблюдалось никакого предшествующего наращивания активности. Напротив, каждый отдельный нейрон оставался спокойным, пока не приходила его очередь активизироваться, и в этот момент наблюдался взрыв его активности, вызванный, по-видимому, возбуждающим входом предыдущего нейрона в цепи.

В ходе дальнейших экспериментов авторы показали, что этот взрыв внезапной активности вызывается притоком кальция через специальные мембранные каналы, которые открываются в ответ на возбуждающий вход.

Ученые из Массачусетского технологического института также показали, что выбор времени взрывной активации нейронов HVC не легко нарушить маленькими электрическими флуктуациями.

«Это важно», поясняет первый автор Майкл Лонг, «ведь если бы один нейрон ошибся в выборе времени, каждый последующий нейрон также совершил бы ошибку, в результате чего вся цепь была бы выключена. Это было бы похоже на музыканта без чувства ритма».

«Впервые мы смогли понять генерацию познавательной цепи поведенческих действий», сказал Фи. «Мы прогнозируем, что подобные механизмы с высокой вероятностью существуют и в мозгах других живых существ, включая человеческий мозг».

25.10.2010