Как ваш мозг воспринимает мир: как нейроны кодируют запахи и другие чувства через напряжение и кальций?

Представьте себе сложную сеть, где каждый узел — это нейрон, а каждый сигнал — это сообщение, передающееся по этой сети. Как эта сеть обрабатывает информацию о внешнем мире? Как нейроны, эти крошечные электрические «станции», интерпретируют различные стимулы? Учёные уже давно пытаются найти ответы на эти вопросы, и, честно говоря, эта задача не так проста, как кажется на первый взгляд. И вот в чем парадокс: чем больше мы узнаём, тем больше новых вопросов возникает.

В центре внимания нового исследования — то, как нейроны обрабатывают сенсорные стимулы, используя червя Caenorhabditis elegans в качестве модели. Выбор неслучаен. Этот маленький червь с прозрачным телом и относительно простой нервной системой — настоящая лаборатория на ладони.

Два «голоса» нейрона: напряжение мембраны и кальций

Представьте, что у нейрона есть два «голоса»: электрическое напряжение на его мембране и уровень кальция внутри. Ранее, чтобы прослушать только «голос*» кальция, учёные использовали генетически закодированные индикаторы кальция (GECI). Это как микроскопические «лампочки», которые светятся при повышении уровня кальция. Но что если мы хотим услышать оба «голоса» одновременно? Здесь и приходят на помощь новые технологии.

Исследователи использовали генетически закодированные индикаторы напряжения (GEVI) в сочетании с GECI, чтобы одновременно измерять изменения напряжения мембраны и уровня кальция внутри нейронов AWA у C. elegans. AWA — это обонятельные нейроны, отвечающие за восприятие запахов. И что же они обнаружили?

Запах и «музыка» нейрона: как мозг кодирует информацию?

Оказывается, что напряжение мембраны кодирует изменение стимула во времени и его продолжительность, а вот уровень кальция кодирует силу стимула. Вот это поворот, не правда ли? Представьте себе, как нейрон «объявляет» о новом запахе, создавая слабые, но стабильные колебания напряжения, а его сила (интенсивность запаха) отображается уже в концентрации ионов кальция.

И это ещё не всё! Белок ODR-3, альфа-субъединица G-белка, оказался важным для стабилизации напряжения мембраны. Он помогает «настроить» нейрон, чтобы тот не реагировал на каждый случайный «шум», а улавливал только значимые сигналы. Это, своего рода, «фильтр» нейрона.

Адаптация: когда мозг «привыкает»

А что если запах повторяется снова и снова? Как реагирует нейрон? В этом исследовании также рассматривался процесс адаптации. Как и другие животные, C. elegans со временем ослабляет реакцию на один и тот же запах. Ученые увидели, что после адаптации реакция нейрона на напряжение мембраны и уровень кальция снижается. Это как будто нейрон говорит: «Я уже понял, это тот же самый запах, не нужно так сильно реагировать».

Какое будущее у этих открытий?

Зачем всё это нужно? Зачем изучать нейроны маленьких червячков? Дело в том, что, хоть нервная система C. elegans и проста, основные принципы работы нейронов схожи у всех животных, включая нас с вами. Понимая, как работает кодирование информации в нейронах на простом уровне, мы можем приблизиться к пониманию сложных процессов, которые происходят в нашем собственном мозге.

Использование одновременных измерений напряжения и уровня кальция может помочь нам понять, как нейроны кодируют и обрабатывают информацию. Это может привести к разработке новых методов лечения нейрологических заболеваний и даже к созданию более совершенных искусственных нейронных сетей.

Что в итоге?

Это исследование стало еще одной важной ступенью в понимании нейронных процессов. Оно продемонстрировало, что нейроны, используя различные механизмы, в том числе изменения напряжения мембраны и уровня кальция, передают информацию о внешних стимулах. Понимание этих механизмов открывает новые перспективы в изучении работы мозга.

* — Общероссийское общественное движение в защиту прав избирателей «Голос» — признано иностранным агентом