Чем больше синапс, тем сильнее его сигнал
Исследователи из лаборатории Кевана Мартина в Институте нейроинформатики при Цюрихском университете (UZH) и ETH Zurich впервые показали, что размер синапсов определяет силу их передачи информации. "Более крупные синапсы приводят к более сильным электрическим импульсам. Обнаружение этой связи закрывает ключевой пробел в знаниях в области нейробиологии ", – объясняет Мартин. "Открытие также имеет решающее значение для улучшения нашего понимания того, как информация проходит через цепи нашего мозга, и, следовательно, как мозг работает."
Восстановление связей между нервными клетками неокортекса
Сначала нейробиологи приступили к измерению силы синаптических токов между двумя соединенными нервными клетками. Для этого они приготовили тонкие срезы мозга мыши и под микроскопом вставили стеклянные микроэлектроды в две соседние нервные клетки неокортекса.
Это позволило исследователям искусственно активировать одну из нервных клеток и в то же время измерить силу результирующего синаптического импульса в другой клетке. Они также ввели краситель в два нейрона, чтобы реконструировать их разветвленные клеточные процессы в трех измерениях под световым микроскопом.
Размер синапсов коррелирует с силой сигнала
Поскольку синапсы настолько крошечные, ученые использовали высокое разрешение электронного микроскопа, чтобы иметь возможность надежно идентифицировать и точно измерять точки контакта нейронов.
Во-первых, в своих реконструкциях с помощью светового микроскопа они отметили все точки соприкосновения между клеточными процессами активированного нейрона, передавшего сигнал, и клеточными процессами нейрона, получившего синаптический импульс. Затем они идентифицировали все синапсы между двумя нервными клетками под электронным микроскопом.
Они сопоставили размер этих синапсов с синаптическими импульсами, которые они измерили ранее. «Мы обнаружили, что сила синаптического импульса напрямую коррелирует с размером и формой синапса», – говорит ведущий автор Грегор Шукнехт, бывший аспирант в команде Кевана Мартина.
Получение более глубокого понимания электрических схем мозга
Эту корреляцию теперь можно использовать для оценки мощности передачи информации на основе измеренного размера синапса. «Это может позволить ученым использовать электронную микроскопию для точного картирования электрических схем неокортекса, а затем имитировать и интерпретировать поток информации на этих схемах в компьютере», – объясняет Шукнехт.
Такие исследования позволят лучше понять, как мозг функционирует в нормальных условиях и как «дефекты проводки» могут привести к нарушениям развития нервной системы.
Больше вычислительной мощности и емкости хранилища, чем предполагалось
Команде также удалось решить еще одну давнюю загадку в области нейробиологии. До сих пор общепринятая доктрина заключалась в том, что только один заполненный нейротрансмиттером пакет (так называемая везикула) высвобождается в синапсе после активации.
Исследователи смогли использовать новый математический анализ, чтобы доказать, что каждый синапс на самом деле имеет несколько сайтов, которые могут одновременно выпускать пакеты нейротрансмиттеров. "Это означает, что синапсы намного сложнее и могут регулировать силу своего сигнала более динамично, чем считалось ранее. Таким образом, вычислительная мощность и объем памяти всего неокортекса кажутся намного большими, чем считалось ранее », – говорит Кеван Мартин.