Алгебра нейронов: исследование расшифровало, как одна нервная клетка может умножать

Нейроны постоянно выполняют сложные вычисления для обработки сенсорной информации и определения состояния окружающей среды. Например, для локализации звука или определения направления зрительного движения считается, что отдельные нейроны умножают два сигнала. Однако то, как осуществляется такое вычисление, десятилетиями оставалось загадкой. Исследователи из Института биологического интеллекта Общества Макса Планка обнаружили у плодовых мушек биофизическую основу, которая позволяет определенному типу нейронов умножать два входящих сигнала. Это дает фундаментальное представление об алгебре нейронов — вычислениях, которые могут лежать в основе бесчисленных процессов в мозге.

Запись с T4-клеток

Ученые сосредоточились на так называемых T4-клетках в зрительной системе плодовой мушки. Эти нейроны реагируют только на зрительное движение в одном конкретном направлении. Ведущим авторам Йонатану Малису и Лукасу Грошнеру впервые удалось измерить как входящие, так и исходящие сигналы T4-клеток. Для этого нейробиологи поместили животное в миниатюрный кинотеатр и с помощью крошечных электродов регистрировали электрическую активность нейронов. Поскольку T4-клетки являются одними из самых маленьких нейронов, успешные измерения стали методологическим прорывом.

Вместе с компьютерным моделированием данные показали, что активность T4-клетки постоянно подавляется (ингибируется). Однако если визуальный стимул движется в определенном направлении, ингибирование кратковременно снимается. В этом коротком временном окне входящий возбуждающий сигнал усиливается: математически постоянное ингибирование эквивалентно делению; снятие ингибирования приводит к умножению. «Мы обнаружили простую основу для сложного вычисления в одной нейронной клетке», — объясняет Лукас Грошнер. «Обратной операцией для деления является умножение. Нейроны, по-видимому, способны использовать эту взаимосвязь», — добавляет Йонатан Малис.

Значение для поведения

Способность T4-клетки умножать связана с определенной рецепторной молекулой на ее поверхности. «Животные, лишенные этого рецептора, неправильно воспринимают зрительное движение и не могут поддерживать стабильный курс в поведенческих экспериментах», — объясняет соавтор Бирте Зёйдинга, которая анализировала траектории ходьбы мух в условиях виртуальной реальности. Это иллюстрирует важность такого типа вычислений для поведения животных.

«До сих пор наше понимание базовой алгебры нейронов было довольно неполным», — говорит Александр Борст. «Однако сравнительно простой мозг плодовой мушки позволил нам получить представление об этой, казалось бы, неразрешимой загадке». Исследователи предполагают, что аналогичные нейронные вычисления лежат, например, в основе нашей способности локализовать звуки, концентрировать внимание или ориентироваться в пространстве.