сколько нейронов в мозге мыши

Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 208: геномный атлас мозга мыши с замахом на человека

В последние годы научные и технологические достижения открыли возможность картирования человеческого мозга вплоть до клеточных компонентов. Пока эта конечная цель еще не достигнута, исследователи продвигаются вперед в менее масштабной, но не менее важной работе – создании еще более подробного атласа мозга мыши с акцентом на регуляцию активности генов и эпигенетику. Как это поможет людям и причем тут генетика?

В специальном выпуске журнала Nature, посвещенном нейронаукам, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего вместе с коллегами из разных университетов США описывают свой прогресс в решении этой задачи.

С 2006 года по всему миру ученые пытаются создать трехмерный атлас мозга мыши. Его размер – примерно с горошину, но состоит он из 8-14 миллионов нейронов и глиальных клеток. Хотя мозг мыши не повторяет человеческий, он помогает в изучении многих функций мозга человека, заболеваний и психических расстройств, потому что гены, отвечающие за построение и работу органов человека и грызуна, на 90 процентов идентичны.

Элементы регуляции генов

В своей работе Бинг Рен (Bing Ren) и его коллеги из Центра эпигеномики сосредоточились на создании атласа генных регуляторных элементов в головном мозге мыши. Они обратили внимание на изучение транскрипционных регуляторных программ, которые ответственны за уникальный паттерн или «рисунок» экспрессии (активности) генов каждой клетки, а следовательно – их идентичность и функции.

Авторы исследовали доступный хроматин – материал хромосом – в отдельных клеточных ядрах из 45 регионов мозга взрослой мыши, а затем использовали полученные данные для картирования состояния цис-регуляторных элементов ДНК в 160 различных типах клеток. Цис-регуляторные элементы – это участки некодирующей ДНК (то есть те, которые не отвечают за производство какого-то белка). Они регулируют транскрипцию (считывание участка ДНК для синтеза РНК) соседних генов.

Ученые обнаружили, что различные типы нейронов расположены в разных областях мозга мыши, а специфика их распределения и функций коррелирует и, вероятно, определяется набором цис-регуляторных элементов ДНК в каждом типе клеток.

Удивительно, но большинство цис-регуляторных элементов мозга мыши, картированных исследователями, имеют гомологичные или похожие последовательности в геноме человека. Поэтому их можно использовать для определения генных регуляторных элементов, участвующих в спецификации типов клеток мозга человека.

По словам Рена, эти результаты служат основой для анализа регуляторных программ генов мозга млекопитающих, включая людей, и могут помочь в интерпретации вариантов некодирующих областей ДНК для того, чтобы оценивать риск развития неврологических заболеваний.

Транскриптомные и эпигеномные элементы

Эран Мукамель (Eran A. Mukamel) и его коллеги объединили передовые методы секвенирования генома, исследуя первичную моторную кору – области мозга мыши, отвечающей за движение. Они создали более 500 000 транскриптомов и эпигеномов – полных списков всех молекул РНК и модификаций ДНК, которые кодируют каждое свойство каждой клетки.

Используя вычислительные и статистические модели, они создали мультимодальный атлас 56 типов нейронных клеток, который описывает их молекулярные, геномные и анатомические особенности.

Исследование показало, что каждая клетка мозга имеет согласованный паттерн экспрессии генов и эпигенетической регуляции. Подобно тому, как человек имеет характерный почерк, черты лица, вокальные данные и черты характера, авторы обнаружили, что сигнатуры РНК и ДНК типов клеток в моторной коре головного мозга отличают каждую клетку от соседних.

«И точно так же, как человеческая индивидуальность способствует разнообразию сообществ, уникальные паттерны экспрессии и регуляции генов в цепях мозга поддерживают разнообразную сеть клеток со специализированными ролями и взаимозависимыми функциями», – говорят авторы.

Объединив эпигеномные и транскриптомные данные невообразимого ранее количества клеток, исследователи продемонстрировали потенциал технологий секвенирования одной клетки для всестороннего картирования клеток мозга. Это может стать еще одним шагом к пониманию гораздо более сложных схем человеческого мозга.

Текст: Анастасия Григорьева

Источник

Сколько нейронов в мозге человека?

Командный коучинг в МТС

5 книг о мозге и сознании

Сколько нейронов в мозге человека?

Коучинговая компания NEXT LEVEL начинает знакомить вас с тем, как устроен наш мозг. Для начала давайте поговорим о том, из чего состоит мозг человека.

Человеческий мозг представляет собой сложную сеть нейронов. Эти нейроны служат для строительства нервной системы. Именно с их помощью передается информация из мозга всему организму и обратно.

Вы, наверно, полагаете, что для такого сложного процесса нужно огромное число нейронов. Но сколько на самом деле нейронов в мозге человека? Раньше ученые, как один утверждали: «100 миллиардов», но недавние исследования показали, что в нашем мозге нейронов куда меньше.

Сколько нейронов в мозге человека?

По подсчетам многих ученых, мозг человека состоит из порядка 100 миллиардов нейронов (плюс-минус пара миллиардов). Именно эта цифра долгие годы приводилась в учебниках по нейробиологии и психологии. И все это время ученые считали, что этот показатель близок к истине.

Так было до тех пор, пока бразильский исследователь Сюзанна Геркулано-Хаузел не обнаружила, что эта цифра не вполне точная. Ученый поняла, что несмотря на то, что данные о 100 миллиардах нейронов упорно публикуются во многих трудах, вычислить, откуда эта магическая цифра взялась, просто невозможно. Тогда нейробилог решила провести собственное расследование, чтобы наконец узнать, сколько на самом деле нейронов в мозге человека.

Казалось бы, задача элементарная. Просто взять образец мозга, посчитать количество нейронов в этом образце, а затем чисто математически вычислить общее количество нейронов, учитывая общий объем мозга.

Все бы было так просто, если бы количество нейронов во всех областях мозга было бы одинаковым. Но это не так. Если сосчитать нейроны в части мозга с их высокой плотностью, то итоговый результат подсчетов будет выше. А если взять образец из части мозга с низкой плотностью, то общее число нейронов получится ниже.

Ученые придумали оригинальное решение, казалось бы, непреодолимой проблемы. Они «растворили» клеточные мембраны, чтобы получился так называемый «мозговой суп». А затем они просто подсчитали количество ядер клеток в образце.

Клеточные ядра были специально окрашены, чтобы можно было отличить нейроны от глии.

Как признается сама Геркулано-Хаузел, ей потребовалось несколько месяцев, чтобы смириться с мыслью о том, что придется превратить чей-то мозг в «суп». Но в конечном итоге, результат превзошел все ожидания: ученые наконец получили данные, которые было бы невозможно получить ни одним другим методом.

— Мы просто ввели еще один метод исследования. И, честно говоря, он ничуть не хуже (с моральной точки зрения), привычного препарирование мозга, — считает Геркулано-Хаузел.

Сколько же нейронов было в мозге, исследованным учеными?

— Мы подсчитали, что мозг, в среднем, состоит из 86 миллиардов нейронов, — заявила Геркулано-Хаузел. – Ни в одном исследованном мозге не было даже близко 100 миллиардов нейронов. Возможно, кто-то сочтет разницу в 14 миллиардов не такой уж и существенной, но на самом деле это очень много. Посудите сами: мозг бабуина состоит из 14 миллиардов нейронов. Столько же нейронов содержится в половине мозга гориллы. Так что, на самом деле, разница вполне внушительная.

Таким образом, исходя из данных последних исследований, в мозге человека порядка 86 миллиардов нейронов.

Читайте также: Что такое «пластичность мозга»?

А сколько нейронов в мозге у животных?

По данным Геркулано-Хаузел, мозг человека очень похож на мозг других приматов, с одной только разницей: у нас гораздо больше клеток мозга, которым нужно огромное количество энергии для питания и поддержания.

По подсчетам экспертов, примерно 25% всей энергии идет именно на поддержку этих клеток.

Если сравнивать количество нейронов в мозге человека и других представителей животного мира, разница выглядит просто огромной. Так сколько же нейронов в мозгах других животных?

Источник

Установлена последовательность образования связей новых нейронов в мозге взрослых мышей

Рис. 1. Области мозга, в которых происходит обновление нейронов у взрослых животных. OB (Olfactory bulb) — обонятельная луковица, SVZ (Subventricular zone) — субвентрикулярная зона (место образования предшественников нейронов), RMS (Rostral migratory stream) — ростральный миграционный тракт, HIPP (Hippocampus) — гиппокамп. На увеличенном изображении гиппокампа (вверху справа) красным показана зубчатая извилина (DG, Dentate gyrus)

Со школы мы слышим, что нейроны не делятся и не обновляются. Хотя первое утверждение верно, второе нельзя считать абсолютно правильным. В мозге взрослых млекопитающих, как и в других органах, есть особые стволовые клетки, которые способны при определенных условиях делиться; продуктом такого деления являются нейроны. Получившиеся нервные клетки мигрируют в одну из двух структур, где нейроны всё же обновляются, — зубчатую извилину гиппокампа или обонятельную луковицу. Сейчас, с распространением трансгенных лабораторных мышей и техники модификации генома клеток посредством вирусов, удалось не только доказать факт образования новых нейронов у взрослых животных, но и показать, как происходит их встраивание в уже готовую систему связей. И в зубчатой извилине, и в обонятельной луковице новые нервные клетки сначала образуют связи с ближайшими соседями, а уже потом «пускают отростки» к клеткам из более далекого окружения.

Не так давно идея о том, что число нервных клеток у животного может с течением жизни только уменьшаться, была опровергнута открытием: в некоторых участках мозга новые нейроны всё-таки появляются! Так же, как и любые другие специализированные клетки, они рождаются благодаря делению не уже сформировавшихся нейронов, а их предшественников, которые, в свою очередь, являются потомками стволовых клеток. Созревая, то есть приобретая физиологические и биохимические особенности функционального элемента нервной системы, новорождённые нейроны, разумеется, должны образовывать связи с теми взрослыми «коллегами», которые их окружают. Но как именно это образование происходит? Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужно найти метод исследования, который позволил бы увидеть один-единственный нейрон, его отростки и отростки тех клеток, с которыми у нашего нейрона образованы связи.

Таким методом стало моносинаптическое отслеживание связей с использованием вирусных векторов. Под этим нагромождением специальных терминов скрывается такой смысл: определенный участок мозга искусственно инфицируется вирусом, чей геном был изменён исследователями так, чтобы, во-первых, модифицированный вирус не вызывал болезнь, возбудителем которой является «дикий» его тип, а во-вторых, экспрессия генов этого вируса должна ограничиваться по возможности одним целевым нейроном, в который этот вирус попал. Разумеется, продукты экспрессии вирусного генома должны проникнуть и в отростки той клетки, с которой наш нейрон имеет контакты, иначе первоначальная цель — прослеживание связей клетки — не будет достигнута.

Впрочем, один вопрос всё же остается: как понять, инфицирована клетка или нет? Как говорилось выше, генетический материал выбранного для внедрения в мозг вируса изменяют. Чтобы понять, какой нейрон и какой отросток несет в себе продукты жизнедеятельности вируса, в его нуклеиновую кислоту встраивают последовательности, с которых синтезируются либо особые флуоресцирующие белки, либо такие белки, к которым существуют антитела, мечение которыми также будет заметно при микроскопическом исследовании инфицированного участка мозга.

Те два участка головного мозга (зубчатая извилина и обонятельная луковица), где возможно появление новообразованных нейронов, являются соответственно частями гиппокампа и обонятельной системы — областей мозга, в которых происходит постоянное обновление, если можно так выразиться, смыслового содержимого (рис. 1). Гиппокамп — это структура, которая, помимо прочего, участвует в переводе информации из кратковременной памяти в долговременную, поэтому имеющиеся там клетки вынуждены работать «на износ», а стало быть, их требуется заменять. Такая замена особенно активно происходит в зубчатой извилине (см. также Dentate gyrus) гиппокампа. А нервные клетки, выполняющие функцию рецепторов запахов и находящиеся в обонятельной луковице (см. Olfactory bulb), чьи молекулы-детекторы пахучих веществ быстро приходят в негодность, живут всего лишь два месяца, после чего заменяются новыми нейронами.

Здесь нужно отметить, что новые нейроны образуются не там, где они впоследствии встраиваются в сеть связей. Для зубчатой извилины и обонятельной луковицы есть особые нейрогенные области — субгранулярная и субвентрикулярная (она же субэпендимная) зоны соответственно. Субгранулярная зона входит в область зубчатой извилины, а субэпендимная находится на некотором отдалении от обонятельной луковицы. Нейральные стволовые клетки, находящиеся в упомянутых областях, делятся, и продуктом этого деления являются предшественники нейронов — нейробласты. Далее нейробласты мигрируют в те части зубчатой извилины и обонятельной луковицы, где мы как раз и можем наблюдать появление новых нейронов из этих предшественников.

Итак, главная цель — отследить порядок образования связей между новопришедшими нейронами и зрелыми клетками. Авторам обсуждаемого исследования удалось решить одну из частей задачи: выяснить, какие нейроны в цепях связей предшествуют «новичкам», то есть являются по отношению к ним пресинаптическими. Это было сделано следующим образом. Исследователи взяли вирус бешенства и модифицировали его геном так, что получившийся вирус (RABV, от англ. rabies virus) мог передаваться только тем клеткам, на поверхности которых присутствовал особый белок TVA — рецептор к компоненту оболочки возбудителя бешенства, причем рецептор в такой форме, которая присутствует у птиц, но не у млекопитающих. Поскольку птичий рецептор (белок) для организма мыши тоже чужеродный, его нужно было ввести извне. Для этой цели использовали другой агент — специально сконструированный ретровирус, несущий в себе ген TVA, а также ген красного флуоресцирующего белка DsRed. Его инъецировали в нужные участки мозга взрослых мышей (в возрасте 8–10 недель). Далее те клетки, которые в момент заражения активно делились, получали ретровирус с геном TVA и начинали после деления экспрессировать последний. Для некоторых случаев использовали трансгенных животных, у которых еще до рождения присутствовал ген TVA.

Таким образом, для отслеживания связей нейронов требовалось сначала ввести в интересующие нас участки мозга ретровирус, экспрессирующий TVA и DsRed, а затем, через некоторое время, и вирус бешенства, содержащий в своей ДНК ген зеленого флуоресцирующего белка GFP. Те нейроны, которые оказались инфицированы ретровирусом, при рассмотрении под конфокальным микроскопом имели красный цвет, а те клетки, в которые попал вирус RABV, флуоресцировали зеленым. Поскольку вирус бешенства распространяется вместе с током веществ по отросткам нейронов, он из «зеленых» нервных клеток должен попадать в «красные». Те нейроны, которые оказались таким образом носителями и ретровируса, и вируса бешенства, под конфокальным микроскопом выглядели желтыми (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид нейронов, инфицированных различными вирусами и несущих красный и зеленый флуоресцирующие белки DsRed и GFP, на срезах под конфокальным микроскопом. Клетки, в которых присутствуют оба варианта флуоресцирующих белков, отмечены желтыми треугольниками. A и B — схема и фотография среза зубчатой извилины (длина масштабной линейки — 30 мкм). C — фотография среза обонятельной луковицы (длина масштабной линейки — 50 мкм). Изображения из обсуждаемой статьи в PNAS

Что означает желтое свечение нейрона в контексте сети связей между клетками? Это означает, что к данному нейрону «проросли» аксоны клеток, содержащих видоизмененный RABV. Такие клетки (светящиеся зеленым) в цепи передачи сигнала стоят первыми по отношению к «желтым». При этом «желтеет» всегда только та клетка, в которой изначально присутствовал красный флуоресцентный белок, поскольку эта же самая клетка имеет на себе рецептор, позволяющий вирусу бешенства входить в нее. Наличие в клетке RABV, напротив, за редкими исключениями препятствует проникновению в нее использованного в обсуждаемой работе ретровируса.

Чтобы выявить не просто наличие связей между клетками, а последовательность образования этих связей, нужно наблюдать за явлением в динамике. Однако «жизнь» одного среза мозга не так велика, чтобы новый нейрон успел создать полный набор контактов с окружающими его клетками. Поэтому пришлось использовать несколько серий срезов одних и тех же участков гиппокампа и обонятельной луковицы; при этом животные, которых использовали для различных серий, проживали разное время от инъекции вирусов до процедуры извлечения мозга (как правило, от двух до семи недель). На протяжении этого времени новые нейроны и зубчатой извилины, и обонятельной луковицы сначала (приблизительно в первые две недели своего существования) образовывали связи с аксонами ближайших пресинаптических клеток, в которых нейромедиатором была гамма-аминомасляная кислота (ГАМК).

Во многих учебниках упоминается то, что ГАМК — тормозный нейромедиатор, что не вполне корректно. Вообще говоря, то, каким (тормозным или возбуждающим) будет действие того или иного вещества, определяется по большей части рецепторами к этому соединению, имеющимися на мембране конкретной клетки. Биохимические процессы, следующие за активацией одного типа рецепторов, могут приводить к облегчению подачи сигнала нейроном (то есть собственно возбуждению), а другая последовательность реакций, запускаемая при активации другого типа рецепторов, соответственно, усложняет для клетки подачу сигнала (мы говорим, что это и есть торможение). Поскольку рецепторы к нейромедиаторам — белковые молекулы, изменение их пространственной структуры (конформации) может стать причиной того, что рецептор, ранее запускавший «возбуждающий» каскад реакций, начнет вызывать «тормозный». Так и происходит с рецепторами на наших «желтых» нейронах в конце первой недели их жизни. Как показало отслеживание связей в данной статье, в таком изменении свойств ГАМК-рецептора, по крайней мере в обонятельной луковице, могут быть задействованы клетки, выделяющие нейромедиатор ацетилхолин, так как в эти же сроки они начинают активно связываться с нейронами, чьи пресинаптические контакты исследователи пытались определить.

Затем, примерно с конца второй недели после введения ретровируса, исследуемые клетки начинали образовывать контакты с более дальними соседями, выделявшими в качестве переносчика сигнала глутамат. Здесь важно отметить, что поначалу достаточно долгое время число тормозных ГАМК-входов сильно превышало количество глутаматных. Авторы предположили, что такой дисбаланс связей способствует тому, чтобы легко возбудимые новые клетки своей чрезмерной активностью не нарушали работу уже сложившейся нейронной сети.

Важный вывод из этого исследования заключается в том, что в обоих рассмотренных структурах новообразованные нейроны сначала связываются со своим ближайшим окружением, а затем уже с более удаленными клетками. Возможно, эта последовательность образования контактов является общей для многих случаев интеграции нервных клеток в уже существующую сеть. К тому же изменение соотношения далеких и близких связей клетки может отражать ее взросление, то есть переход от выполнения функций молодых элементов к работе, соответствующей зрелым нейронам.

Источник: Aditi Deshpande, Matteo Bergami, Alexander Ghanem, Karl-Klaus Conzelmann, Alexandra Lepier, Magdalena Götz, and Benedikt Berninger. Retrograde monosynaptic tracing reveals the temporal evolution of inputs onto new neurons in the adult dentate gyrus and olfactory bulb // Proceedings of National Academy of Sciences. March 19, 2013. V. 110. No. 12. P. E1152-E1161. Published online before print 4 March 2013. Doi: 10.1073/pnas.1218991110.

Источник

Что особенного в мозге человека?

Что особенного в мозге человека?

Морфологическая реконструкция нейрона коры мозга человека. Внизу показаны подпороговые осцилляции трансмембранного потенциала нейрона в биофизической модели. На фоне показаны человеческие нейроны 2/3 слоя коры, окрашенные с помощью антител.

Автор

Редакторы

Нейроны человека и других млекопитающих очень похожи, если смотреть «издалека». Тем не менее есть и важные различия. Недавно ученые из Института Аллена (среди которых и автор этой статьи) опубликовали работу в журнале Neuron, где показали, что возбудимости нейронов мозга человека и мыши заметно различаются. Оказалось, что нейроны коры мозга человека имеют гораздо большее количество HCN-каналов, которые особым образом влияют на возбудимость нейронов. Что это значит с точки зрения эволюции и какой эффект оказывает на поведение отдельных нейронов?

Довольно долго считалось, что базовые элементы нервной системы — нейроны — всех млекопитающих похожи друг на друга. Такую мысль высказывал, например, Сантьяго Рамон-и-Кахаль [1]. Нейрон получает входные сигналы от других нейронов за счет синапсов, которые расположены на дендритах и соме [2]. В результате меняется величина трансмембранного потенциала [3], и если она превышает порог, то нейрон генерирует потенциал действия, или спайк (от англ. spike — шип). После этого спайк распространяется по аксону и активирует другие нейроны, с которыми он связан с помощью синапсов. Несмотря на схожие свойства нейронов животных, ученые получают всё большее количество данных о том, что отдельные детали значительно различаются.

Мозги человека и других млекопитающих очень похожи. Именно это позволяет нам, изучая мозг других животных, узнать что-то о своем собственном. В частности, структура коры мозга, появившейся позже всего в течение эволюции, очень схожа у всех млекопитающих. Именно она отвечает за множество высших психических функций (восприятие, память, речь), которыми мы обладаем.

Но если кора у нас и мышек устроена одинаково, почему же мышки не играют на скрипке и не делают научные открытия, а люди на это способны хотя бы изредка? Иными словами, что делает нас особенными по сравнению с другими млекопитающими?

Довольно давно стало понятно, что это очень сложный вопрос, на который существует много разных ответов. Один из них наша научная группа пытается дать в Институте Аллена (Allen institute for brain science), изучая и сравнивая нейроны человека и мыши. Наша работа была недавно опубликована в международном журнале Neuron [4].

Известно, что объем мозга человека и площадь коры увеличивались в ходе эволюции очень быстро. За последние 75 миллионов лет площадь коры мозга человека стала больше примерно в 1000 раз по сравнению с общим предком мыши и человека. Поэтому нейроны человеческого мозга должны были адаптироваться к эволюционно быстрым изменениям его свойств.

Кора млекопитающих обладает удивительно сложной анатомической организацией. Она состоит из шести слоев клеток, которые связаны между собой. В каждом слое есть возбуждающие и тормозные нейроны разных типов. Типы нейронов отличаются между собой по форме дендритного дерева, по возбудимости мембраны и специальным белкам, которые позволяют «увидеть» эти нейроны с помощью иммуногистохимических методов [5]. Зачастую в коре нейроны определенных типов связаны между собой строго специфическим образом, поэтому, анализируя активность нейронов, важно знать, к какому типу они относятся.

Чтобы не сравнивать яблоки с апельсинами, мы рассмотрели свойства самых часто встречающихся нейронов коры — пирамидальных нейронов 2/3 слоя. Поскольку границу между вторым и третьим слоем анатомически сложно провести, нейроны этих слоев объединяют вместе как нейроны 2/3 слоя. Именно этот слой самый толстый в коре человека по сравнению с корой мыши. Нейроны именно этого слоя коры наиболее сильно изменились у человека по сравнению с другими млекопитающими. Ширина 2/3 слоя около одного миллиметра, и он толще других слоев примерно в 2–3 раза.

Изучая ответы отдельных нейронов в этом слое коры, мы обнаружили, что нейроны человека и мыши по-разному отвечают на электрические стимулы (рис. 1). Оказалось, что нейроны одного и того же 2/3 слоя коры у мыши и человека обладают различными резонансными частотами (рис. 1 в и г). Иными словами, при предъявлении стимула (ток, подаваемый в нейрон), нейроны человека и мыши по-разному на него отвечают. Нейроны человека обладают резонансами более высокой частоты, при этом частота этих резонансов зависит от глубины расположения нейронов в коре. Чем глубже эти нейроны в слое 2/3 у человека, тем выше их частота (рис. 1 в и г). При этом частота резонансов у мыши гораздо ниже и увеличивается медленнее при продвижении в глубину в слоя 2/3.

Рисунок 1. Нейроны человека и мыши обладают различными резонансными свойствами. а — Подпороговый ответ нейронов мыши 2/3 слоя коры в ответ на синусоидальный стимул с увеличивающейся амплитудой. Сверху показан ответ нейронов верхней части 2/3 слоя коры, снизу — ответ более глубоких нейронов того же слоя. Справа показан спектр частоты колебаний и электрический импеданс трансмембранного потенциала в ответ на синусоидальный стимул наверху и внизу слоя 2/3. б — То же самое для нейронов человека. в — Слева показана резонансная частота нейронов мыши 2/3 слоя в зависимости от глубины внутри этого слоя (резонансная частот соответствует пику в спектре на панели а справа). Справа показано отсечение спектра после трех децибел. г — тоже самое для нейронов человека. Результаты, относящиеся к нейронам мыши, показаны черным; к нейронам человека — красным.

Для того чтобы объяснить эти физиологические свойства нейронов человека, мы проанализировали биофизические свойства нейронов коры человека и мыши. Дело в том, что в генерации спайков, а также в поддержании трансмембранного потенциала участвует большое количество различных белков (преимущественно ионных каналов). Основными являются натриевые и калиевые каналы, но также существует большое количество других белков, которые изменяют свойства потенциала действия и синапсов. Так, одна из наших прежних работ посвящена изучению связи эпилепсии с гомеостазом ионов хлора в нейронах мозга [6].

Одними из таких каналов, тонко настраивающих сигнализацию нейронов, являются HCN-каналы, пропускающие ионы калия при гиперполяризации мембраны. Это явление необычно тем, что «обычные» потенциал-чувствительные каналы открываются при деполяризации (потенциал идет «вверх»), а этот тип каналов — напротив, при гиперполяризации (потенциал идет «вниз») трансмембранного потенциала. Поэтому данный ток получил специальное обозначение — h-ток, напоминающее о его hyper-активации (hyperpolarization activated в названии канала — (англ.) активирующийся благодаря гиперполяризации).

Когда нейрон получает отрицательный синаптический вход от тормозных нейронов, это приводит к активации h-тока. Но после того как стимуляция исчезает, возникает кратковременная деполяризация мембраны нейрона, что часто приводит к генерации спайков. Иными словами, действие h-тока похоже на пружину, которую сначала сжимают (отрицательный вход), а потом резко отпускают (отсутствие стимуляции), после чего она распрямляется еще больше, чем в изначальном состоянии. Эти каналы есть не только в нейронах мозга: их также можно обнаружить в кардиомиоцитах сердца [7], где они помогают синхронизировать активность клеток во время сердечных сокращений.

Мы обнаружили, что в мембране человеческих нейронов 2/3 слоя есть особенно большое количество h-тока, анализируя ответы нейронов в ответ на электрические стимулы (рис. 1). Анализ мРНК из тех же нейронов подтвердил эти результаты и показал, что в клетках 2/3 слоя коры человека имеется гораздо большее количество фрагментов, кодирующих HCN1-каналы (подтип HCN-каналов). В нейронах коры мыши тоже имеется большое количество HCN1-каналов, но их не так много, как в нейронах человека (рис. 2). Более того, оказалось, что HCN1-каналов больше в каждом слое коры человека, а не только в слое 2/3. Чтобы понять, что значат эти данные в отношении отдельных клеток, мы совместно использовали электрофизиологию и математическое моделирование.

Рисунок 2. Оценка уровня экспрессии генов, кодирующих HCN-каналы, в нейронах человека (а) и мыши (б). Все данные получены на основании анализа мРНК, извлеченной из ядер отдельных нейронов разных слоев коры (L1–6 и тормозных нейронов всех слоев Inh). Результаты приведены в единицах RPKM (англ. Reads Per Kilobase Million — количество прочтений (гена HCN1) на один миллион пар оснований).

Некоторые подробности нейронного моделирования приведены в статье «От живого мозга к искусственному интеллекту» [8].

Рисунок 3. Биофизическая модель нейрона человека. а — Стимуляция биологического нейрона и математической модели стимулом с увеличивающейся частотой с помощью электрического тока. б — Спектр колебаний трансмембранного потенциала в ответ на стимуляцию с панели а. Черным показан стимул, зеленым — ответ биологического нейрона 2/3 нейрона коры, красным — ответ модели со включенными h-каналами (Ih(+)), синим — ответ модели с выключенными h-каналами (Ih(−)).

Рисунок 3. Биофизическая модель нейрона человека. в — Трехмерная реконструкция нейрона коры слоя 2/3. Красными кругами показано положение глутаматных синапсов [9]. г — Задержка между активностью синапса на дендритном дереве и ответом на соме нейрона в зависимости от расстояния от синапса до сомы. Красным показан ответ модели в присутствии h-тока (Ih(+)), синим — когда h-ток отсутствует (Ih(−)). д — Спектр колебаний трансмембранного потенциала на соме в модели с h-током и без h-тока в ответ на стимуляцию с помощью 1000 синапсов. Черные линии наверху соответствуют различным диапазонам частот, средние величины которых достоверно отличаются, в частности в тета-диапазоне.

Используя эту модель, мы воспроизвели поведение нейрона, когда он находится в нейронной сети коры. Для этого мы стимулировали модель нейрона с помощью 1000 глутаматных синапсов [9], каждый из которых активировался случайно со средней частотой около 4 Гц (рис. 3д). Поскольку разряды нейронов в большой сети генерируются случайно или хаотически [10], их можно описывать с помощью случайных процессов.

В ответ на синаптическую стимуляцию происходят колебания мембранного потенциала нейрона. Чтобы понять свойства этих колебаний, мы проанализировали их частоту в модели с h-током и без него (рис. 3). Оказалось, что h-ток позволяет нейрону лучше проводить колебания в тета-диапазоне (4–10 Гц) от дендритов к соме. При этом сами колебания мембранного потенциала генерируются синапсами, расположенными на дендритном дереве (рис. 3). Также мы обнаружили, что скорость проведения сигнала от дендритов к соме увеличивается при наличии h-тока (рис. 3д). Это происходит за счет способности HCN-каналов делать мембрану нейронов чуть более возбудимой, что приводит к более быстрому проведению изменений потенциала от дендритов к соме.

Дело в том, что человеческие нейроны гораздо больше нейронов мыши. Объем мозга и размер нейронов быстро увеличивались в ходе эволюции млекопитающих. С одной стороны, большой нейрон может связаться с бóльшим числом других нейронов, что позволяет более эффективно проводить информацию в сети; с другой стороны, скорость обработки информации в больших нейронах меньше, чем в маленьких. Вероятно, большое количество h-тока было одной из эволюционных адаптаций, которые позволили поддерживать прежнюю скорость проведения потенциалов действия, несмотря на бóльший размер нейронов. Этот механизм может быть особенно важен для более глубоких слоев коры (рис. 1), поскольку нейроны 2/3 слоя должны получать информацию от нейронов первого слоя коры с такой же задержкой, как и нейроны верхнего слоя 2/3.

Сравнивая нейроны человека и других животных, мы надеемся постепенно понять, что именно делает мозг человека особенным. Возможно, разница между мозгом человека и мыши такая же, как между игровой приставкой и суперкомпьютером. Оба они построены на микропроцессорах, но суперкомпьютер обладает гораздо большей производительностью за счет более быстрых элементов и большего их количества. В ближайшем будущем мы планируем изучить свойства нейронов коры человека и мыши во всех слоях коры и в разных ее областях. Это поможет нам понять, что делает мозг человека особенным по сравнению с мозгом других млекопитающих [11]. С практической точки зрения это позволит разрабатывать более эффективные лекарства, которые будут лучше работать для нейронов человека за счет особенных свойств наших с вами ионных каналов.

Источник