Исследователи Флоридского института нейронаук им. Макса Планка (Max Planck Florida Institute for Neuroscience) оптимизировали оптические и электрофизиологические записи активности отдельных нейронов, чтобы изучить аксональную возбудимость с беспрецедентной точностью. Таким образом учёные раскрыли важные организационные особенности аксональной возбудимости почти на уровне синапс-синапс, о чём и написали в статье, опубликованной в журнале Neuron.
Нейроны — основные структуры обработки информации в мозге и состоят из трёх частей: дендриты, ответственные за получение информации; аксоны, ответственные за отправку информации; и сома — клеточное тело, которое содержит ядро.
Функции с «тесным» контактом
Существуют три главных функции нервной системы: сенсорная, которая получает информацию извне и изнутри; интегративная, которая принимает решения, основанные на той информации, которую она получает; и двигательная, генерирующая электрические импульсы в ответ. В частности, интегративные функции мозга объединяют сенсорную информацию, обеспечивают её запоминание, «рождают» мысли и способствуют принятию решений.
Мозжечок — это часть мозга, ответственная за контроль движений. Он служит оптимальной моделью, позволяющей изучить интегративные особенности нервной системы как на клеточном, так и на сетевом уровнях. Схема мозжечка поразительно проста по сравнению с другими областями мозга с регулярно повторяющейся клеточной организацией их наружного слоя. Кроме того, мозжечково-зависимые задачи уже хорошо картированы в отдельных анатомических подобластях. Следовательно, мозжечок предоставляет уникальную возможность изучить динамику того, как информация передаётся и преобразуется в пределах одного нейрона и между клетками, чтобы управлять моторным поведением.
Нейроны разделены на три главных части: дендриты, аксоны и сома (тело). В то время, как дендриты получают и объединяют синаптический вход, аксоны передают сконцентрированную синаптическую информацию к специфическим центрам в форме потенциалов действия. Даже в пределах этих структур есть так называемая подспециализация: дендриты часто поддерживают функциональные области, умножая их вычислительную способность. И аксоны достигают высокой степени специфичности в организации и функциональном влиянии каналов натрия и калия, несмотря на упрощённое классическое представление о потенциалах действия как однотипных двойных импульсах, передаваемых по всей длине аксона.
«Интимные» подробности стали доступнее
Перед исследователями Мэтью Дж.М. Роуэном (Matthew J.M. Rowan) и Джейсоном М. Кристи (Jason M. Christie) стояла серьёзная техническая проблема, не позволявшая напрямую исследовать аксональную возбудимость. Из-за своего маленького диаметра (менее, чем 500 миллимикронов) типичный аксон не получалось исследовать обычными электрофизиологическими методами. Однако, используя оптически управляемую субклеточную модификацию в сочетании с органическими регуляторами нервной деятельности, учёные смогли проанализировать целевые подрегионы аксональных мембран, включая как пресинаптические окончания, так и связанные с ними аксоны.
Такая запись позволяет осуществить прямую оценку распределения и биофизические свойства ионных каналов и рецепторов, расположенных вдоль аксона. В целом, это позволяет напрямую записывать нервные сигналы, включая потенциалы действия и подпороговую синаптическую активность.
Больше «чувствительных» точек – сильнее ответ
Это исследование продемонстрировало, что потенциалы действия, часто рассматриваемые как стабильный «пульс», вместо этого довольно динамичны с их формой, меняющейся в зависимости от клеточного местоположения. Сетевая геометрия синаптических окончаний по отдельности не обеспечивает заметных различий в продолжительности спайка. Скорее, эта физиология зависит от отличительного влияния подтипов калиевых каналов, а также от объединения в кластеры их быстро активирующихся разновидностей в пресинаптическом местоположении. Организационная особенность, описанная этим исследованием, позволяет аксонам умножать свои адаптивные свойства, настраивая возбуждение в одной аксональной области, независимой от других, в местном пространственном масштабе вместе с соседними участками.
По словам доктора Роуэна, сгруппированность и разная плотность калиевых каналов в синаптических окончаниях представляют собой ключевые моменты, которые лежат в основе интенсивности потенциала действия на уровне синапс-синапс. Такая организация обеспечивает широкие адаптивные возможности, позволяющие отдельным участкам на местном уровне обеспечивать продолжительность образующегося потенциалу действия. И, как выяснилось, они зависят от локального количества каналов без связи с другими участками.
Исследовательская группа доктора Кристи далее займётся расследованиями того, как спайк образуется и меняется в пределах аксонов, и рассчитает ценность этой организации применительно к мозжечковым схемам.
Synapse-level determination of action potential duration by K+ channels in axons by Matthew J.M. Rowan, Gina DelCanto, Jianqing J. Yu, Naomi Kamasawa, and Jason M. Christie in Neuron. Published online June 2016 doi:10.1016/j.neuron.2016.05.035