Эта область помогает формировать воспоминания, например, о том, где вы припарковали машину, а также является одной из двух областей мозга, которые постоянно производят новые нервные клетки на протяжении всей жизни.«Итак, главный вопрос, — сказала Линда Оверстрит-Вадиче, доктор философии, доцент кафедры нейробиологии UAB, — заключается в том, почему это происходит в этой области мозга? Создаются совершенно новые нейроны. Какова их роль? "В статье, опубликованной 20 апреля в Nature Communications, Оверстрит-Вадиче и его коллеги из UAB; Университет Перуджи, Италия; Национальные лаборатории Сандиа, Альбукерке, Нью-Мексико; и Медицинский факультет Университета Дьюка; представить данные и простую статистическую сетевую модель, описывающую неожиданное свойство новообразованных незрелых нейронов зубчатой извилины.
Считается, что эти незрелые нейроны гранулярных клеток увеличивают различение паттернов, даже если они составляют небольшую часть гранулярных клеток в зубчатой извилине. Но непонятно, как они вносят свой вклад.Эта работа — один маленький шаг — наряду с другими шагами, предпринятыми во множестве лабораторий по всему миру — к взлому нейронного кода, одной из величайших биологических проблем в исследованиях. Как пишут Эрик Кандел и соавторы в «Принципах нейронологии»: «Конечная цель нейронной науки состоит в том, чтобы понять, как поток электрических сигналов через нейронные цепи порождает разум — то, как мы воспринимаем, действуем, думаем, учимся. и запомни."
У взрослых мышей созревание новообразованных гранулярных клеток может занять от шести до восьми недель. Исследователи задавались вопросом, есть ли у незрелых клеток свойства, которые отличают их. Более 10 лет назад исследователи обнаружили одно отличие — клетки показали высокую возбудимость, а это означает, что даже небольшие электрические импульсы заставляли незрелые клетки запускать собственные электрические импульсы. Таким образом, они рассматривались как «очень возбудимые молодые нейроны», как описано Алехандро Шиндером и другими специалистами в этой области.
Но это создало парадокс.
Согласно гипотезе нейронного кодирования, высокая возбудимость должна ухудшить способность зубчатой извилины — важного центра обработки данных в мозге — воспринимать небольшие различия во входных паттернах, которые имеют решающее значение для памяти, знать ваше пространственное положение или расположение Ваш автомобиль.«Зубчатая извилина очень чувствительна к различию рисунков», — сказал Оверстрит-Вадич. «Это требует ввода и подчеркивает различия. Это называется разделением паттернов».
Зубчатая извилина получает входные данные от энторинальной коры, части мозга, которая обрабатывает сенсорные и пространственные данные из других областей мозга. Затем зубчатая извилина отправляет выходной сигнал в гиппокамп, который помогает формировать краткосрочные и долгосрочные воспоминания и помогает ориентироваться в окружающей среде.
В своих экспериментах на срезах мозга мышей Оверстрит-Вадич и его коллеги не стимулировали напрямую незрелые гранулярные клетки. Вместо этого они стимулировали нейроны энторинальной коры.«Мы пытались имитировать более физиологическую ситуацию, стимулируя расположенные выше нейроны далеко от гранулярных клеток», — сказала она.
Использование этой более слабой и более диффузной стимуляции выявило новую, ранее недооцененную роль незрелых клеток гранул зубчатой извилины. Поскольку эти клетки имеют меньше синаптических связей с энторинальными клетками коры, по сравнению со зрелыми гранулярными клетками, эта более низкая связность означала, что более низкий сигнальный драйв достигал незрелых гранулярных клеток, когда стимуляция применялась в энторинальной коре.Эксперименты Overstreet-Wadiche и его коллег показывают, что это слабое возбуждение делает незрелые гранулярные клетки менее — не более — склонными к срабатыванию, чем зрелые гранулярные клетки. В вычислительной нейробиологии меньшая активность известна как разреженное кодирование, которое позволяет более тонко различать множество различных паттернов.
«Это потенциально способ, которым незрелые гранулярные клетки могут улучшить разделение паттернов», — сказал Оверстрит-Вадич. «Поскольку незрелые клетки имеют меньше синапсов, они могут быть более избирательными».Семь лет назад соавтор статьи Джеймс Эймон, доктор философии из Sandia National Laboratories, разработал реалистичную сетевую модель незрелых гранулярных клеток, модель, которая учитывала их высокую внутреннюю возбудимость. Когда он запустил эту модель, незрелые клетки разрушили, а не улучшили общее разделение рисунка зубчатых извилин. В текущей статье Overstreet-Wadiche Эймоне пересмотрел более простую модель, включив в нее новые открытия своих коллег.
На этот раз статистическая сетевая модель показала более сложный результат — незрелые гранулярные клетки с высокой возбудимостью и низкой связностью смогли расширить диапазон входных уровней от энторинальной коры, которые все еще могли создавать хорошо разделенные выходные представления.Другими словами, баланс между низкой синаптической связностью и высокой внутренней возбудимостью может расширить возможности сети даже с очень небольшим количеством незрелых клеток.«Основная идея заключается в том, что по мере развития клетки имеют разные функции», — сказал Оверстрит-Вадич. «На какое-то время это почти как другой нейрон, более возбудимый, но потенциально более избирательный».
Предложенная Оверстритом-Вадичем и его коллегами роль незрелых гранулярных клеток согласуется с предыдущими экспериментами других исследователей, которые обнаружили, что точное удаление незрелых гранулярных клеток грызунов с помощью генетических манипуляций создает трудности в различении небольших различий в контекстах сенсорных сигналов. Таким образом, удаление этого небольшого количества ячеек ухудшает разделение паттернов.