Мыслить, чувствовать, действовать – наш мозг – это центр управления в голове, который управляет всем, что мы делаем. Сеть из около 100 миллиардов нервных клеток, связанных между собой примерно 100 триллионами синапсов, обеспечивает основу для этих механизмов. Нейробиологи из Немецкого центра приматов (DPZ) – Института исследований приматов им. Лейбница впервые изучили, как устроена эта нейронная сеть и как поток информации между различными областями мозга координируется на уровне отдельных нервных клеток. В ходе исследований на макаках-резус они обнаружили, что нервные клетки в различных областях мозга, которые контролируют наши движения рук, сильно взаимодействуют друг с другом и организованы в функциональные группы, охватывающие разные области.
Они также показали, что несколько нейронов контролируют сеть, действуя как центральные узлы (концентраторы) и координируют поток информации в сети нервных клеток. Эти хабы также хорошо взаимодействуют друг с другом (rich-club) и, таким образом, образуют магистральную сеть, охватывающую территорию. Интересно, что тип связи между хабами отличается от того, что происходит в остальной сети. Обработка информации через хабы характеризуется их ритмической активностью, синхронизированной друг с другом. Это говорит о том, что большие группы нейронов ритмично синхронизируются, чтобы соединять части мозга вместе для решения конкретных задач (eLife, 2016).
Такие функции нашего мозга, как мышление, запоминание, восприятие и управление движением, могут возникать только благодаря взаимодействию сети нервных клеток. Это предмет многочисленных исследовательских проектов, направленных на изучение структуры этой сети. Благодаря теоретико-графическим подходам и исследованиям мозга, таким как электроэнцефалография (ЭЭГ) или функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ), в течение некоторого времени было известно, что различные области мозга организованы в виде сложной сети, которая обеспечивает быструю и устойчивую к сбоям обработку информации. Используя эти методы, невозможно измерить активность отдельных нервных клеток. Однако это необходимо, чтобы понять, как возникают такие нервные заболевания, как шизофрения и аутизм.
Исследования на уровне нервных клеток
«В нашем исследовании мы хотим выяснить, как сеть отдельных нервных клеток организована в нескольких областях мозга», – говорит Бенджамин Данн, аспирант лаборатории нейробиологии Немецкого центра приматов и ведущий автор исследования. «Мы также хотели точно знать, как координируется поток информации между нервными клетками разных областей мозга.”Для этого три макаки-резус были обучены многократно выполнять захватывающее задание. Во время выполнения задачи активность нервных клеток в трех различных областях головного мозга, передней интрапариетальной коре (AIP), премоторной коре (F5) и первичной моторной коре (M1) измерялась с помощью так называемых наборов микроэлектродов. Эти области мозга образуют нейронную сеть, которая контролирует планирование и выполнение движений рук.
Нервные клетки в клубе богатых ритмично зажигаются
Ученые обнаружили, что нервные клетки всех трех областей мозга образуют прочную взаимосвязанную сеть, которая, в свою очередь, организована в функциональные субъединицы (модули). Удивительно, но эти модули не соответствуют трем рассматриваемым областям мозга. 84 процента модулей не ограничивались одной областью, но также включали нервные клетки двух других областей. Более того, они могли показать, что в сети есть отдельные нейроны, которые играют центральную роль. «Эти узлы или концентраторы имеют непропорционально больше соединений в сети, чем другие нервные клетки», – объясняет Бенджамин Данн. «Кроме того, они тесно взаимосвязаны и образуют так называемый« богатый клуб »на сотовом уровне, который можно использовать для координации маршрутизации информации в сети.”
Кроме того, ученые заметили, что нервные клетки ритмично активны в клубе богатых, а также ритмично взаимодействуют с остальной частью сети. Однако другие нервные клетки в основном аритмично активны. «Мы были первыми, кто показал, что ритмическая активность на фиксированных частотах является важной особенностью центрального узла и ячеек клуба богатых, которые координируют информационный поток», – резюмирует свои результаты Бенджамин Данн. «Мы предполагаем, что ритмическая синхронность нейронов является ключевым механизмом для быстрой и надежной коммуникации в мозгу. Таким образом, даже отдаленные группы нейронов могут быть функционально связаны для выполнения определенных мыслей или действий.”
В будущем это исследование может способствовать лучшему пониманию нейрональных заболеваний, таких как шизофрения и аутизм, на которые влияет вмешательство ритмической синхронности и изменений в сетевой структуре. Точное знание этих процессов в мозге важно для разработки новых методов лечения.