Ученые узнали, как нейроны переключают режимы между мыслями

Мозг постоянно отслеживает внешний мир, как GPS, даже когда мы этого не осознаем. Эта активность проявляется в виде слабых электрических сигналов, передаваемых между нейронами, помогая нам думать, двигаться, запоминать и чувствовать. Эти сигналы часто подчинены определенным ритмам, известным как мозговые волны — таким как медленные тета-волны и быстрые гамма-волны, которые помогают организовать обработку информации.

Понимание того, как отдельные нейроны реагируют на эти ритмы, — ключ к разгадке механизмов работы мозга, связанных с навигацией в реальном времени, и их нарушениям при неврологических заболеваниях.

Новое исследование, опубликованное в журнале PLOS Computational Biology, выявило удивительную способность клеток гиппокампа обрабатывать, кодировать и реагировать на информацию из нескольких мозговых ритмов одновременно. Каждая из них, как оказалось, может переключаться между одиночными импульсами и их быстрыми очередями в зависимости как от своих внутренних свойств, так и от текущей электрической активности мозга. Авторы назвали это явление чередующимся резонансом.

Объектом научного внимания стали пирамидальные нейроны CA1 — клетки, критически важные для формирования памяти и пространственной навигации (например, определения местоположения и маршрута). Они обмениваются между собой сигналами в форме одиночных электрических импульсов или их серий. Каждый режим передачи несет разную информацию и связан с определенными поведенческими контекстами. До сих пор факторы, определяющие переключение между этими режимами, были плохо изучены.

С помощью передового компьютерного моделирования и современных методов визуализации электрической активности мозга исследователи показали, что нейроны могут одновременно реагировать на тета- (медленные) и гамма- (быстрые) волны, но по-разному. В результате происходит двойное кодирование: нейрон использует серии импульсов для резонанса с тета-волнами и одиночные «выстрелы» — для резонанса с гамма-волнами, причем оба сигнала встроены в одну и ту же электрическую активность.

«Наши модели показывают, что один нейрон может вести себя как многодиапазонное радио, настраиваясь на разные частоты и меняя свое поведение соответственно. Эта система гораздо более гибкая и мощная, чем мы предполагали», — восхищен биофизик Родриго Пена из Флоридского Атлантического университета.

Такое поведение зависит от внутренних параметров нейрона, в частности, от уровней трех ионных токов: натриевого (постоянного), калиевого (с задержкой) и гиперполяризационного. Регулируя эти параметры, нейроны могут переключать свои резонансные предпочтения между тета- и гамма-волнами, а также между одиночными импульсами и их пачками. Кроме того, нейроны чаще разражаются очередями импульсов после длительных периодов молчания, что предполагает временной фактор в кодировании информации.

«Эта способность к "двойному кодированию" дает новое представление о том, как мозг эффективно организует и передает информацию, и может дать важные подсказки о неврологических расстройствах, при которых нарушаются мозговые ритмы, — объясняет Пена. — Если нейроны работают с ошибками или не могут переключаться между режимами, это может влиять на формирование памяти или концентрацию внимания. Понимание естественной гибкости нейронов поможет в будущем разработать методы восстановления этой функции при патологиях».

Результаты также проливают свет на давние вопросы нейронауки, в том числе о формировании пространственной памяти в гиппокампе, и показывают сложность и адаптивность мозга. Из прежних исследований известно, что тета- и гамма-ритмы влияют на активность нейронов при движении в пространстве. Теперь стало ясно, что нейроны не ограничены одним режимом, а могут динамически переключаться в зависимости от внешних сигналов и внутренней электрической среды. Другими словами, один нейрон способен передавать несколько слоев информации в зависимости от контекста.

«Базовые элементы мозга гораздо динамичнее, чем считалось», — заключил биофизик.