Нейроны являются основными структурами переработки информации в головном мозге и состоят из трех основных частей: дендритов, аксонов и тела. Дендриты воспринимают и интегрируют синаптические импульсы, которые затем преобразуются в теле и отправляются к др. нейронам посредством аксонов. Давно стоит вопрос, как синаптические импульсы распределяются по структурам дендритов индивидуальных нейронов, как дендриты активируются и трансформируют импульсы и наконец, как мы воспринимаем мир вокруг себя. Недавние открытия в лаб. David Fitzpatrick из Max Planck Florida Institute for Neuroscience (MPFI), пролили больше света на этот вопрос и универсальные свойства кортикальных нейронов.

Benjamin Scholl изучал пространственное расположение синаптических входов на дендритах и то, как эта компоновка влияет на выкладки в зрительной коре. Предыдущая работа Wilson et al. (2015) показала, что ориентация избирательности и образование функциональных кластеров синаптических импульсов в нейронах зрительной коры коррелирует с локализацией событий, происходящих в дендритах, оттачиваемых тонкой доводкой в теле нейрона. В своей недавней работе Scholl и Wilson исследовали, действительно ли существует такое образование кластеров в более тонком масштабе и во всем разнообразии функциональных входов, получаемых клетками коры.

Чтобы исследовать образование кластеров на более тонком уровне, исследователи заставляли простые зрительные стимулы активировать индивидуальные возбуждающие импульсы на отдельных шипах (spines) дендритов, небольших грибообразных выпячиваний на дендритном древе. Эти зрительные стимулы позволили авт. картировать пространственные воспринимающие поля -- регионы в зрительном пространстве, где стимулы вызывают реакции от определенных нейронов или синаптических импульсов -- и полярность -- предпочтение для приращения яркости (ON) или уменьшения (OFF). Большое количество шипов в индивидуальном слое в 2/3 нейрона были картированы и визуализованы, используя in vivo двухфотонное изображение генетически кодированного индикатора кальция, определяющего меру субклеточной и клеточной активности.

Внутри отдельных веточек дендритов и в полях дендритов, они не обнаружили доказательств глобальной организации. После более тщательной проверки, однако, они установили образование локально мощных функциональных синаптических кластеров. Соседние шипы, разделенные менее чем 10 µm обладали сходными функциональными свойствами среди разнообразия сенсорных особенностей ими кодируемых. Далее, соседние шипы обладают спонтанной и управляемой сенсорными сигналами совместной активностью, которая может возникать независимо от глобальных кальциевых событий в дендритах, управляемых в основном потенциалами действия, инициируемыми в теле нейрона.

Зависимые от расстояния взаимоотношения для этих свойств существуют на пространственной шкале 5-10 µm, и это вездесущая константа пространственной длины может указывать на фундаментальное биологическое ограничение механизмов пластичности в коротких пределах, оперирующих в дендритах. "Кластеризация входящих импульсов представляется более универсальной, чем мы могли бы подумать раньше, "- сказал Scholl. "Мы только начинаем оценивать сложность дендритного поля."

Они также установили посредством компьютерного обучения, что мелкомасштабные функциональные синаптические кластеры существуют в более широкой популяции шипов, и эти кластеры, по-видимому, избирательны для признаков, похожих и отличных от исходящих от тела нейрона сигналов. Собранные в кластеры входящие импульсы д. амплифицировать такие функциональные свойства, но роль образования синаптических кластеров в оформлении ответа телом нейрона более сложная. Эти распределенные функциональные кластеры д. усиливать мощь вычислений нейронами, благодаря предоставляемой более значительной гибкости реакций на широкий круг сенсорных сигналов, повышая чувствительность дендритов, не принося в жертву пределы динамики и облегчая нелинейные взаимодействия внутри индивидуальных дендритов.

Оценка интеграции и преобразований распределенных сетей на субклеточном уровне является ключом к пониманию организации на клеточном уровне за его пределами. "Крайне важно понять, как входящие в данный нейрон импульсы расположены в его дендритном поле, так что теперь мы можем понять, как отдельные нейроны объединяют информацию, возникающую из тысяч синаптических входящих импульсов," сказал Fitzpatrick. Что же является следствием такого распределения функций в нейроне и в сети, в которых они находятся? Сегодня существует огромный пробел в нашем научном знании, когда дело доходит до восприятия роли дендритов в нейронных цепях. "Что делает эту работу действительно важной," говорит Fitzpatrick, "она перебрасывает мост через пропасть, внедряя клеточные принципы в контекст того, как оперирует сеть."

В дальнейшем, лаборатория заинтересована в изучении развития и созревания шипов и синаптических кластеров. Текущая работа включает в себя хроническую визуализацию структуры и функции отдельных шипов во время развития и изменений в зрительном ощущении, чтобы определить, действительно ли возникающие шипы принимают на себя те самые функциональные свойства своих ближайших и стабильно существующих шипов. Это предоставит более значительную информацию о роли образования синаптических кластеров во время развития и о механизмах пластичности в ходе всей жизни индивида.