Мозг - не процессор. Его сила в неоднородностях

Нейроны, как снежинки, - совершенно разные. При этом они отличаются не только размером или формой, но и реакцией на входящие сигналы. Исследователи из Университета Карнеги-Меллон (США) обнаружили, что это многообразие имеет решающее значение для функционирования мозга и необходимо для обработки сложных сигналов.

Человеческий мозг имеет свыше 100 млрд нейронов различных типов. Хотя нейроны одного и того же типа различаются, вместе они решают общую задачу, и каждый нейрон отвечает на незначительные различия в поступающих сигналах. Обычно неврологи исключали эту неоднородность путём усреднения показателей, чтобы получить свои результаты, и называли это явление "баг в биологии".

"Когда речь идет о компьютерных чипах, различия в структуре нарушают функциональность системы. Производители тратят много времени и денег на создание идеально одинаковых чипов, - рассказывает профессор Натан Урбан (Nathan N. Urban). - Наш мозг считается одним из самых сложных компьютеров, и мы были заинтригованы идеей, что мозг использует "беспорядок", чтобы сложные биологические "аппаратные средства" функционировали более эффективно".


Рисунок символически показывает как митральные клетки разделяют входной сигнал на компоненты – словно призма, разделяющая белый свет на семь цветов. В результате популяция клеток предоставляет больше сигналов, чем каждый отдельный нейрон.

Размещая электрический зонд в отдельных возбуждающих нейронах (митральных клетках), и подвергая их комплексу шумовых сигналов под управлением компьютера, ученые смогли определить, как отвечает каждая клетка. Они обнаружили, что из десятков наблюдаемых нейронов, не было пары, реагирующей на стимуляцию одинаково. Хотя эти результаты и были поразительны сами по себе, ученые задались вопросом, не давали ли нейроны разные версии одного "ответа" на раздражитель или же каждый из нейронов обеспечивал передачу части информации о раздражителе.

Чтобы проверить это, исследователи использовали инструмент под названием STA, он измеряет характеристики ответа нейронов на изменяющиеся во времени раздражители и отображает их в виде всплесков на линии осциллографа. Этот метод анализа электрофизиологических данных позволяет определить, какая именно особенность раздражителя вызывает реакцию нейрона. Исследователи обнаружили, что некоторые нейроны реагировали быстрее, некоторые медленнее, другие реагировали на ритмичные или постоянные сигналы. Затем ученые вычислили информацию, передаваемую разнообразными и одинаковыми нейронами. В результате обнаружилось, что разнородная группа нейронов, передает в два раза больше информации о раздражителе, чем однородная группа.

"Разнообразие является основой эффективной работы, - говорит Натан Урбан. - Популяция, в которой каждый член немного отличается в плане способностей, является более эффективной. Это как футбольная команда - если вы хотите выиграть, вы не должны выпускать на поле 11 вратарей".

Помимо своей роли в кодировании информации, разнообразие нейронов может играть определенную роль в неврологических расстройствах, таких как эпилепсия, болезнь Паркинсона и шизофрения. При этих болезнях есть нарушения в синхронии и ритмике нейронов. В случае эпилепсии и болезни Паркинсона, группы нейронов посылают сигналы одновременно, вызывая приступы или тремор. При шизофрении некоторые нейроны хуже координируют передачу сигналов в определенных ситуациях, например во время задач требующих внимания.

Ученые хотят выяснить, как достигается нейронное разнообразие. Нейроны определенного типа, как правило, образуются на одной стадии развития человека и из одних и тех же недифференцированных клеток-предшественников. Тем не менее происходит диверсификация, и весьма важен вопрос, какие белки вовлечены в этот процесс, и можно ли стимулировать его искусственно.