Что ещё может быть скрыто в электрическом языке клеток нашего мозга?
Нейробиологи часто записывают активность нейронов как серию простых событий: клетка производит электрический импульс или не производит. Когда и как часто эти импульсы появляются, может многое рассказать исследователям о мозге.
Но новое предварительное исследование, возможно, обнаружило деталь, которую этот подход упускает.
Электрические искры длительностью в миллисекунду, производимые нейронами, не все одинаковы. Их форма, по-видимому, даёт ключи к тому, что клетка недавно пережила. Это значит, что электрический сигнал может нести больше информации, чем простая двоичная метка, используемая для его обозначения.
Нейробиолог Брэдли Войтек из Калифорнийского университета в Сан-Диего сказал ScienceAlert, что эти электрические импульсы, известные как потенциалы действия, выглядят как простые, однородные пики только при взгляде издалека.
Исследование ещё не прошло рецензирование, и исследователи призывают к осторожности до этого. Но оно добавляет к растущей картине того, сколько деталей может содержать один нейронный сигнал.
«Потенциал действия выглядит как „пик“ только когда вы отдалены, но когда вы приближаетесь к нему и смотрите на его полную форму волны, которая длится всего около миллисекунды, форма этого следа напряжения говорит вам что-то о том, что недавно произошло с этим нейроном, — сказал Войтек. — Когда мы превращаем потенциал действия в двоичное событие, мы выбрасываем информацию о его недавнем входе».
Исследователи сначала изучили записи двух нейронов мыши в части мозга, отвечающей за зрение. Когда клетки получали разные электрические токи, менялись такие характеристики, как высота их сигналов и скорость падения напряжения.
Эти токи включали постоянный вход, постепенно возрастающий и флуктуирующий вход, известный как розовый шум. Записи, сделанные внутри клеток другими исследователями, улавливали небольшие изменения в каждом электрическом импульсе.
В одном нейроне модель машинного обучения различала три типа электрической стимуляции, используя только форму сигнала, с точностью 78,4 процента. Записей от второго нейрона было недостаточно, чтобы провести тот же тест.
Форма сигнала также давала ключи к тому, насколько сильным или изменчивым был входящий ток. Некоторые из этих ключей уходили на полсекунды назад до электрического импульса. Это дольше, чем сам импульс, который длится около миллисекунды.
Затем исследователи изучили записи мозга крыс. На этот раз они смотрели на нейроны, активные сами по себе, а не на клетки, получившие определённый электрический ток.
В 30 из 40 изученных нейронов сигналы одной и той же клетки попадали более чем в одну отдельную группу форм.
В небольшом числе нейронов различия были настолько велики, что сигналы одной и той же клетки могли выглядеть так же непохоже, как сигналы разных нейронов. В большинстве клеток различия были меньше.
Исследователи также сравнили форму сигнала с электрической активностью вокруг клетки. В большинстве нейронов форма предсказывала силу близлежащего электрического сигнала лучше, чем время между импульсами.
Связь была статистически обнаружима в 87–90 процентах клеток, хотя её предсказательная сила обычно была скромной.
В клетке с самой сильной связью форма её импульсов объясняла около 64 процентов вариации одного показателя близлежащей электрической активности. Этот результат получен от отобранной клетки; большинство клеток показали гораздо более слабые связи.
О чём это говорит
Означает ли это, что нейроны меняют форму своих сигналов, чтобы передать друг другу скрытое сообщение?
Это та часть головоломки, которая всё ещё отсутствует.
«Наши данные, к сожалению, не могут напрямую ответить на вопрос, передаёт ли форма пика информацию другим нейронам», — сказал Войтек.
Что исследование действительно показывает, так это то, что форма сигнала связана с электрическим входом, который клетка недавно получила, и с активностью вокруг неё.
Он указывает на более раннюю работу, показывающую, что изменение ширины электрического импульса может изменить количество кальция, поступающего в нейрон, что может повлиять на то, что он передаёт другим клеткам. Происходит ли это здесь, ещё предстоит проверить.
Записи из экспериментов с разными электрическими токами были получены всего от двух клеток. Оба набора данных изначально собирались для других целей. Так что мы пока не знаем, насколько широко эти закономерности распространены в других частях мозга или среди других типов нейронов.
Есть и другая сторона у этих находок.
Учёные могут использовать формы сигналов в записях мозга, чтобы определить, сколько разных нейронов они слушают. Если одна клетка может производить сигналы разной формы, эта задача иногда может быть сложнее, чем мы думали.
Центральный вопрос остаётся открытым. Записывая, когда нейрон производит сигнал, мы можем упускать информацию в форме сигнала. Возможно, ещё одна подсказка к электрическому языку мозга лежит в форме искры.
