Діти дощу (ранні ознаки аутизму, вибірка з форуму) - Інші діти. Нейробіологи визначили, як людський мозок розвинув високі інтелектуальні здібності

Багато нервових клітин схожі на кущі або дерева: їх вихідний відросток, аксон, - тонкий корінець цього дерева, решта численних відростків - дендрити. Дендрити зазвичай відходять від тіла клітини у вигляді товстих стовбурів, які потім діляться на кілька тонших гілок, ті, у свою чергу, на ще більш тонкі і т. д. Довжина дендритів в десятки разів перевищує діаметр нервових клітин, а товщина кінцевих гілочок дуже мала - може становити частки мікрометра. Питання, яку роль грають дендрити у роботі нервових клітин, досі остаточно не вирішено і, швидше за все, у різних нейронів їхня роль різна. Зокрема, в одних клітин мембрана дендритів незбудлива і може передавати сигнали тільки електротонічно, як пасивний кабель, а в інших дендрити здатні проводити ПД. Тепер ми розглянемо ті властивості дендритів, які пов'язані з їх геометрією.

Розглянемо спочатку ті клітини, у яких дендрити незбудливі. У цьому випадку "проблема дендритів" полягає в наступному. Синаптичні закінчення зустрічаються на різних частинах дендритного дерева. Візьмемо синапс, що діє на гілочку, максимально віддалену від тіла клітини. І тут умови передачі електричного сигналу видаються дуже невигідними. Справді, в тонкій гілочці велика константа згасання, а своїм кінцем гілочка «впадає» в ширшу ділянку дендриту, яка «закорочує» її. У таких закорочених кабелях потенціал спадає особливо сильно , правда, у разі дендритів «закорочування» є неповним і потенціал наприкінці гілочки спадає не до нуля. У наступному відрізку дендриту умови передачі сигналу теж несприятливі, оскільки у його кінці теж є товстіший дендритний стовбур, тощо. буд. « У зв'язку з цим виникло уявлення, що синапси, розташовані на віддалених гілочках, дають дуже малий внесок у зміну потенціалу тіла клітини, у сотні разів менший, ніж такі ж синапси на тілі клітини. Виходить, що синапси на кінцевих дендритних гілочках марні, що це «помилка природи».

Один із варіантів вирішення «проблеми дендритів» полягає в тому, що на тонких кінцевих гілочках можна розмістити багато синапсів, тоді спільна дія цих синапсів буде помітною в тілі клітини. Але для цього треба, щоб усі ці синапси працювали більш менш одночасно.

Всі вищенаведені міркування тривалий час мали якісний характер. У 1965 р. в Теоретичному відділі Інституту біофізики АН СРСР був розроблений спосіб кількісної оцінки ефективності синапсів для нервових клітин будь-якої форми та розрахована ця ефективність для мотонейронів, пірамідних клітин кори та клітин мозочка. Виявилося, що ефективність дендритних синапсів всього в 3-5 разів нижча, ніж у синапсів, розташованих на тілі нейрона. Чим це пояснюється? Чому ефективність віддалених дендритних синапсів виявилася досить великою? Чим менше клітина, що вищий її вхідний опір, то більший зсув потенціалу створює синапс. У тоненьких дендритних гілочок, віддалених від тіла клітини, вхідний опір виявився більшим, тому синапси можуть створювати в цих гілочках зрушення потенціалу в десятки разів більші, ніж у тілі нейронів. І хоча при поширенні до тіла це зрушення потенціалу дійсно сильно згасає, його велика величина значно компенсує загасання. Таким чином, дендритні синапси виявились зовсім не помилкою природи.

А тепер розглянемо ті нейрони, дендрити яких мають збудливу мембрану, здатну до генерації ПД, У таких нейронів висока ефективність синапсу на тонкій гілочці може призвести до того, що всього кілька синапсів доведуть мембранний потенціал до порогу і викличуть у цій гілочці ПД, який почне поширюватися до тіла клітки.

Його подальша доля залежить від властивостей вузлів розгалуження, якими йому треба пройти шляхом до тіла клітини, тобто від геометрії дендриту. Клітина такого типу працює як складна логічна схема. Приклад такої клітини було наведено на рис, 45; ця клітина виявляє односпрямовані рухи стимулу. Клітини з складнішою формою дендритів можуть працювати як досить хитрі обчислювальні машини. «Така система подібна до системи голосування з великою кількістю учасників, які мають неоднакову кількість голосів... Остаточний результат, звичайно, залежить від загальної кількості голосів, поданих «за» або «проти», однак він не меншою мірою залежить і від того, хто саме і разом із ким із партнерів голосує»,-- писали співробітники Теоретичного відділу Інституту біофізики АН СРСР 1966 р.

На дендритах багатьох нейронів є спеціальні освіти, звані шипики. Це структури, схожі на гриби і складаються з голівки на тонкій ніжці, яку найчастіше називають шийкою шипика. Шипик є випинанням клітинної мембрани, а до його голівки підходить терміналь від іншого нейрона і утворює на ній хімічний синапс.

Навіщо потрібні шипики – невідомо. Число гіпотез про їхні функції величезне. Давайте подивимося, що можна сказати про можливі функції шипиків, виходячи з геометричних міркувань. При цьому розглянемо два ра-ріанти: мембрана головки шипика незбудлива; мембрана головки шипика здатна до генерації ПД.

Нехай шипик непорушний. Його тоненька шия має високий опір. В результаті в головці виникатиме великий постсинаптичний потенціал, але його помітна частина губиться в шийці. Шипик працюватиме як тоненька дендритна гілочка. Але навіщо потрібний такий пристрій? Чому б синапсу не розташовуватися прямо на дендриті?

Одним із способів роботи гальмівних синапсів є зниження вхідного опору нейрону. Але й збуджуючі синапси теж відкривають іонні канали і знижують вхідний опір! Через це збуджуючі синапси теж заважають один одному. Особливо сильна така перешкода буде на тонких дендритах, які мають дуже високий вхідний опір, так що активація кількох синапсів викличе помітне його зниження. Шипики повинні суттєво знижувати взаємний вплив сусідніх синапсів, які у цьому випадку відокремлені один від одного шийками з високим опором. Розрахунки підтвердили, що хоча шипикові синапси кожен окремо менш ефективні, ніж синапси, розташовані прямо на дендриті, але при спільній роботі ефект помітно вищий.

Якщо ж мембрана шипика збудлива, він може працювати як підсилювач синаптичної передачі. Через тонкість шийки вхідний опір шипика дуже велике і один синапс може викликати в голівці ПД, який надішле в дендрит набагато сильніший електричний струм, ніж струм синапсу. Цікаво, що за такого режиму роботи шипика має існувати оптимальний опір його шийки. Воно не повинно бути занадто маленьким - тоді помітна частина синаптичного струму витікатиме в дендритну гілочку, зсув потенціалу на мембрані головки шипика не досягне порогового значення і там не виникне ПД. Але, з іншого боку, опір шийки шипика не повинен бути і занадто великим, інакше з головки шипика в дендрит буде текти занадто слабкий струм і ніякого посилення синаптичного струму не вийде. Нещодавно з'явилися роботи, що показують, що геометрична структура реальних шипиків близька до тієї, яка за теоретичними розрахунками є оптимальною.

Досі ми говорили про форму волокон і клітин або навіть мікроструктури клітин - шипиків. Подивимося тепер геометрію клітинних об'єднань.

Вченим, що досліджує властивості людського мозку, давно відомо, що він працює як найпотужніший комп'ютер і здатний, наприклад, вмістити всю інформацію Інтернету.

Однак поки що відкриті далеко не всі фактори, що визначають обчислювальні здібності нашого мозку.

Черговим відкриттям у цій галузі поділилися дослідники з Массачусетського технологічного інституту. Вони вперше провели запис електричної активності нейронів із надвисоким рівнем деталізації.

Важливо пояснити, що наш мозок містить 85-86 мільярдів нейронів, і кожен функціонує як збуджуваний елемент. Він накопичує вхідні електричні сигнали у своєму тілі (соме) і, коли напруга досягає певної межі, генерує короткий електричний імпульс, що вирушає в розгалужені відростки - дендрити. Зазначимо, що саме такий накопичувальний підхід дозволяє мільйонам та мільярдам окремих клітин функціонувати як єдине ціле без загального центру управління.

На кінцях дендриту кожного нейрона розташовані мембранні вирости – шипики. Шипики одного нейрона з'єднуються з шипиками іншого, формуючи місце контакту – синапс. Через них здійснюється передача нервового імпульсу.

Автори нової роботи вирішили порівняти «здатності» дендритів людей та модельних тварин – щурів. Вони припускали, що саме відмінності у роботі цих нейронних відростків відповідають за обчислювальну потужність мозку і можуть пояснити інтелектуальну перевагу людей над іншими видами.

Експерти пояснюють: кожен нейрон може мати до 50 дендритів, і у людини вони набагато довші, ніж у щурів та більшості інших тварин. Тому кора головного мозку у нас набагато товстіша: вона становить близько 75% від загального обсягу мозку (для порівняння: у щурів – близько 30%).

Але, незважаючи на ці відмінності, структурна організація цієї області у гризунів і людей схожа: кора мозку складається із шести різних шарів нейронів. При цьому нейрони із п'ятого шару мають можливість передати сигнал нейронам із першого шару.

Але, якщо у людей кора значно товстіша, ніж у тварин, виходить, що в ході еволюції нейронам доводилося подовжувати свої дендрити, щоб дотягнутися до інших верств. Та й самі сигнали подорожують такими шляхами довше.

"Справа не тільки в тому, що люди розумні, тому що у нас більше нейронів і більша кора. [Наші] нейрони і діють по-іншому", - розмірковує голова наукової групи Марк Харнетт (Mark Harnett).

Щоб докладніше вивчити роботу дендритів людей, дослідники використовували зрізи мозкової тканини пацієнтів з епілепсією. У ході операцій добровольцям видаляли невеликі (з ніготь людини) ділянки передньої скроневої частки, щоб отримати доступ до потрібної ділянки мозку.

Наголошується, що передня скронева частка відповідає за безліч функцій, включаючи лінгвістичну та візуальну обробку інформації, але видалення крихітної її ділянки не знижує працездатність мозку. А для нейробіологів такі «живі» тканини – унікальні зразки для вивчення.

Як тільки команда отримала зрізи, їх одразу помістили в розчини, що імітують спинномозкову рідину. Це дозволило зберігати життєздатність тканин протягом 48 годин.

Потім вчені використовували електрофізіологічну методику під назвою локальна фіксація потенціалу, що дозволяє вивчати властивості іонних каналів. Останніх дуже багато у зовнішніх мембранах дендритів і вони фактично відповідають за пропускну здатність «каналу».

Раніше аналогічні експерименти проводились із тканинами мозку гризунів, проте електричні властивості дендритів людини команда вивчала вперше.

В результаті фахівці виявили, що, оскільки дендрити людей довші за щурів, сигнал, що приходить від нейрона з першого шару до нейрона п'ятого шару, набагато слабший, ніж аналогічний сигнал у гризунів.

Також з'ясувалося, що дендрити людини та щури мають однакову кількість іонних каналів, але в наших дендритах вони мають нижчу щільність через загальне подовження дендритів.

Може здатися, що така відмінність знижує працездатність мозку, але насправді це не так. Навпаки, для того, щоб направити сигнал у потрібне місце, тисячі синапсів кожного дендриту повинні «колективно» визначити «шаблон введення», пояснює Харнетт.

На основі нових даних його колеги розробили докладну біофізичну модель, яка показує, що зміна щільності іонних каналів може пояснити деякі відмінності в електричній активності дендритів людини та щура.

Згідно з гіпотезою Харнетта, через виявлені відмінності більша частина дендритів може впливати на силу вхідного сигналу, що дозволяє окремим нейронам нашого мозку виконувати більш складні завдання і підвищувати обчислювальну потужність. Клітини мозку самі стають свого роду міні-комп'ютерами.

"У людських нейронах існує більше "електричної незалежності", що потенційно призводить до збільшення обчислювальних можливостей одиночних нейронів", - вважає вчений.

Втім, існує безліч інших відмінностей у роботі мозку людини та тварин, тому, можливо, подовження дендритів та пов'язані з цим зміни – це лише одна з переваг, які отримали сапієнси в ході еволюції.

Надалі нейробіологи мають намір докладніше досліджувати електричну активність мозку людей і знайти інші особливості, відповідальні за наші розумові здібності.

Колеги нейробіологів із MIT назвали це відкриття «чудовим досягненням».

"Це найбільш ретельно деталізовані вимірювання фізіологічних властивостей нейронів людини на сьогоднішній день. Ці експерименти дуже складні, навіть коли робота проводиться з [зразками тканин] мишей та щурів, тому з технічного погляду досить дивно, що вони змогли зробити це з тканинами людей", - зазначив Нельсон Спрустон (Nelson Spruston) із Медичного інституту імені Говарда Хьюза.

Раніше, нагадаємо, автори проекту «Вісті. Наука» (nauka.vesti.ru) повідомляли, що мозок інтелектуалів формує менше зв'язків між нейронами. Також вчені знайшли в мозку людини новий тип клітин і з'ясували, як мозку вдається працювати в режимі багатозадачності.

У нормі в головному мозку відбувається постійний і досить інтенсивний процес редукції шипиків та утворення нових, що свідчить про великі пластичні можливості нервової тканини.

Є кілька шляхів формування дендритних шипиків.

1 Розвиток шипиків із тонких виростів дендритів (філоподій).Під час ранніх етапів синаптогенезу в мозку, що розвивається, дендрити утворюють численні найтонші вирости - філоподії, які протягом декількох хвилин виростають і пропадають. При формуванні синапсів, кількість

Філоподій різко зменшується, тоді як кількість стабільних зрілих шипиків збільшується, що підтверджує роль цих тонких виростів як попередників пшипіків. Подібні філоподії виявляються й у дорослому мозку. Функції високорухливих філоподій полягають, можливо, в мобільному пошуку в навколишньому просторі місць контакту з аксонами, що проходять, і формування нових синаптичних контактів.

2. Розвиток шипиків з дендритного ствола. У цьому випадку шипик розвивається у зоні синапсів, розташованих на дендритному стовбурі. Ця ситуація спостерігається в основному в ранні періоди розвитку нейронів, коли більшість синапсів розташовуються безпосередньо на дендритному стовбурі і формуються раніше, ніж виростають дендритні філоподії. Надалі кількість таких «ранніх» синапсів падає, а число зрілих аксо-шипикових синапсів збільшується, тобто присутність в районі формування шипиків елементів синапсу, що формується, є важливим індукувальним сингналом для формування структури шипиків і зрілого аксо-шипикового синапсу.

3. Формування шипиків без індукційного впливу синапсів, що формуються.Шипи на дендритах можуть формуватися і раніше, ніж у цьому районі сформуються синаптичні контакти. Так відбувається, наприклад, при формуванні шипиків на дистальних гілочках дендритної системи клітин Пуркіньє мозочка.

Аксон.Аксон – зазвичай найдовший відросток нейрона, що нерідко інтенсивно гілкується у своїх термінальних відділах. Однією з рис аксона є наявність т.зв. "поворотних колатералей" - термінальних гілочок аксона, що утворюють аксо-аксональні контакти на власному нейроні. Вони мають важливий регулюючий вплив (переважно гальмівний) на роботу аксона. Через велику довжину аксона його аксоплазма може значно перевищувати загальний обсяг цитоплазми перикаріону і дендритів нейрона разом узятих. Принципова відмінність аксона від інших відділів нейрона полягає і у відсутності його

цитоплазмі мРНК та рибосом та наявності (у спайк-генеруючих нейронах) у плазматичній мембрані великого числа Na-іонних каналів, що беруть участь у генерації та проведенні потенціалу дії.

Останнім часом показано, що в гілочках аксона (конусах росту) і при регенерації в аксоні здійснюється локальний синтез білків. Компоненти білоксинтетичного апарату (субодиниці рибосом та самі рибосоми, мРНК, необхідні ферменти, амінокислоти) поставляються в райони синтезу аксональним транспортом. Неоднакова структура цитоплазми аксона і дендритів пов'язані, як вважають, і з відмінностями розташування елементів цитоскелета (див. нижче).

Місце відходження аксона від тіла нейрона називається аксонним горбком, який, звужуючись, поступово перетворюється на початковий сегмент аксона. Саме ці початкові ділянки аксона є місцем генерації потенціалу дії та відрізняються великою кількістю іонних каналів у плазмолемі. Число рибосом в аксонному пагорбі невелике, і в міру звуження відростка вони повністю зникають. У початковому сегменті аксона рибосоми знаходяться лише біля постсинаптичних активних зон аксо-аксональних синапсів. Цей сегмент характеризується тим, що мікротрубочки цитоскелета тут зібрані в невеликі групи і близько плазмолеми є шар електронно-щільного матеріалу. Шар субплазмолеммального матеріалу знаходиться також у перехопленнях Ранв'є. Це пов'язано, мабуть, з безліччю іонних каналів, особливо натрієвих, у плазматичній мембрані. В аксоні у великій кількості знаходяться елементи агранулярної ендоплазматичної мережі (АЕС) – важлива транспортна система відростків.

Морфологія дендритів.

Нейрони мають дві системи відростків: аксон і дендрити та одним із завдань нейроморфології є визначення ключових відмінностей або подібності між ними.

На світлооптичному рівні дослідження щодо зрізів нервової тканини, пофарбованої солями срібла за методом Гольджи, видно деякі морфологічні відмінності аксона від дендритів. Вони часом не абсолютні, але темі щонайменше дозволяють проаналізувати наявний нейрогистологический матеріал. (Табл).

Табл. Ххх Деякі порівняльні характеристики аксона та дендритів нервових клітин хребетних

Аксон і дендрити мають крім перерахованих вище морфологічних і функціональних відмінностей набір молекулярно-біохімічних маркерів, присутність яких на мембранах або цитоплазмі відростків багато в чому визначає їх специфіку та властивості.

Вченим, що досліджує властивості людського мозку, давно відомо, що він працює як потужний комп'ютер і здатний, наприклад, вмістити.

Однак поки що відкриті далеко не всі фактори, що визначають наш мозг.

Черговим відкриттям у цій галузі поділилися дослідники з Массачусетського технологічного інституту. Вони вперше провели запис електричної активності нейронів із надвисоким рівнем деталізації.

Важливо пояснити, що наш мозок містить 85-86 мільярдів нейронів, і кожен функціонує як збуджуваний елемент. Він накопичує вхідні електричні сигнали у своєму тілі (соме) і, коли напруга досягає певної межі, генерує короткий електричний імпульс, що вирушає в розгалужені відростки - дендрити. Зазначимо, що саме такий накопичувальний підхід дозволяє мільйонам та мільярдам окремих клітин функціонувати як єдине ціле без загального "центру управління".

На кінцях дендриту кожного нейрона розташовані мембранні вирости – шипики. Шипики одного нейрона з'єднуються з шипиками іншого, формуючи місце контакту – синапс. Через них здійснюється передача нервового імпульсу.

Автори нової роботи вирішили порівняти "здатності" дендритів людей та модельних тварин - щурів. Вони припускали, що саме відмінності в роботі цих нейронних відростків відповідають за обчислювальну потужність мозку і можуть пояснити людей над іншими видами.

Експерти пояснюють: кожен нейрон може мати до 50 дендритів, і у людини вони набагато довші, ніж у щурів та більшості інших тварин. Тому кора головного мозку у нас набагато товстіша: вона становить близько 75% від загального обсягу мозку (для порівняння: у щурів – близько 30%).

Але, незважаючи на ці відмінності, структурна організація цієї області у гризунів і людей схожа: кора мозку складається із шести різних шарів нейронів. При цьому нейрони із п'ятого шару мають можливість передати сигнал нейронам із першого шару.

Але, якщо у людей кора значно товстіша, ніж у тварин, виходить, що в ході еволюції нейронам доводилося подовжувати свої дендрити, щоб дотягнутися до інших верств. Та й самі сигнали подорожують такими шляхами довше.

"Справа не тільки в тому, що люди розумні, тому що у нас більше нейронів і велика кора. [Наші] нейрони і діють по-іншому", - розмірковує голова наукової групи Марк Харнетт (Mark Harnett).

Щоб докладніше вивчити роботу дендритів людей, дослідники використовували зрізи мозкової тканини пацієнтів з епілепсією. У ході операцій добровольцям видаляли невеликі (з ніготь людини) ділянки передньої скроневої частки, щоб отримати доступ до потрібної ділянки мозку.

Наголошується, що передня скронева частка відповідає за безліч функцій, включаючи лінгвістичну та візуальну обробку інформації, але видалення крихітної її ділянки не знижує працездатність мозку. А для нейробіологів такі "живі" тканини – унікальні зразки для вивчення.

Як тільки команда отримала зрізи, їх одразу помістили в розчини, що імітують спинномозкову рідину. Це дозволило зберігати життєздатність тканин протягом 48 годин.

Потім вчені використовували електрофізіологічну методику під назвою локальна фіксація потенціалу, що дозволяє вивчати властивості іонних каналів. Останні дуже багато у зовнішніх мембранах дендритів, і вони фактично відповідають за пропускну здатність "каналу".

Раніше аналогічні експерименти проводились із тканинами мозку гризунів, проте електричні властивості дендритів людини команда вивчала вперше.

В результаті фахівці виявили, що, оскільки дендрити людей довші за щурів, сигнал, що приходить від нейрона з першого шару до нейрона п'ятого шару, набагато слабший, ніж аналогічний сигнал у гризунів.

Також з'ясувалося, що дендрити людини та щури мають однакову кількість іонних каналів, але в наших дендритах вони мають нижчу щільність через загальне подовження дендритів.

Може здатися, що така відмінність знижує працездатність мозку, але насправді це не так. Навпаки, для того, щоб направити сигнал у потрібне місце, тисячі синапсів кожного дендриту повинні "колективно" визначити "шаблон введення", пояснює Харнетт.

На основі нових даних його колеги розробили докладну біофізичну модель, яка показує, що зміна щільності іонних каналів може пояснити деякі відмінності в електричній активності дендритів людини та щура.

Згідно з гіпотезою Харнетта, через виявлені відмінності більша частина дендритів може впливати на силу вхідного сигналу, що дозволяє окремим нейронам нашого мозку виконувати більш складні завдання і підвищувати обчислювальну потужність. Клітини мозку самі стають свого роду міні-комп'ютерами.

"У людських нейронах існує більше "електричної незалежності", що потенційно призводить до збільшення обчислювальних можливостей одиночних нейронів", - вважає вчений.

Втім, існує безліч інших відмінностей у роботі мозку людини та тварин, тому, можливо, подовження дендритів та пов'язані з цим зміни – це лише одна з переваг, які отримали сапієнси в ході еволюції.

Надалі нейробіологи мають намір докладніше досліджувати електричну активність мозку людей і знайти інші особливості, відповідальні за наші розумові здібності.

Колеги нейробіологів із MIT назвали це відкриття "чудовим досягненням".

"Це найбільш ретельно деталізовані вимірювання фізіологічних властивостей нейронів людини на сьогоднішній день. Ці експерименти дуже складні, навіть коли робота проводиться з [зразками тканин] мишей та щурів, тому з технічного погляду досить дивно, що вони змогли зробити це з тканинами людей", - Відзначив Нельсон Спрустон (Nelson Spruston) з Медичного інституту імені Говарда Хьюза.

Щоб короткочасна пам'ять перетворилася на довготривалу, у мозку мають утворитися нові міжнейронні контакти, а формування таких контактів найкраще відбувається під час сонної активності нервових клітин.

Перетворення короткочасної пам'яті на довготривалу називають консолідацією пам'яті, і нейробіологи старанно намагаються з'ясувати, як і чому це відбувається. Досить давно вдалося з'ясувати, що консолідація пам'яті добре йде під час сну. Тобто, щоб запам'ятати прочитаний перед іспитом підручник, треба поспати, тоді інформація, як то кажуть, вляжеться в голові, тобто перейде в довготривале сховище. Доказів зв'язку між сном та пам'яттю досить багато. Наприклад, дослідники з Каліфорнійського університету в Ріверсайді виявили, що снодійні препарати як нормалізують сон, а й поліпшують пам'ять. А їхні колеги з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі змогли описати інформаційні процеси у мозку, пов'язані з консолідацією пам'яті під час сну.

Дендритні шипики (забарвлені зеленим) лежить на поверхні нейронних відростків. (Фото skdevitt/Flickr.com.)

Дендритні шипики (сині крапки) на нейроні. (Фото The Journal of Cell Biology/Flickr.com.)

Те, що такий важливий процес відбувається саме уві сні, не дивно: адже давно вже всі знають, що сон лише інша форма активності мозку. Вважається, що специфічні нейронні імпульси, «сонні» хвилі мозку пов'язані у тому числі і з тим, що наша нервова система займається сортуванням отриманої інформації, поки зовнішні сигнали не заважають. Але як при цьому поводяться нейрони, які клітинні і молекулярні механізми тут задіяні, біологам довгий час з'ясувати не виходило.

Щоб дізнатися, що відбувається з нейронами під час консолідації пам'яті, Вень-Бяо Гань ( Wen-Biao Gan) та його співробітники з Нью-Йоркського університету створили генетично модифіковану мишу, у якої в нейронах моторної кори синтезувався флуоресцентний білок. З його допомогою можна було спостерігати за змінами в нервових клітинах, наприклад, де і коли утворюються дендритні шипики, особливі вирости на дендритних відростках нервових клітин. Поява шипика говорить про те, що в цьому місці нейрон готовий створити контакт з іншим нейроном, інакше кажучи, шипик передує синапсу. Завдяки синапсам утворюються нейронні ланцюги, які необхідні для запам'ятовування інформації. Коли ми, наприклад, вчимося їздити велосипедом, у нас у мозку складаються нові нервові ланцюги, які виникли у відповідь на необхідність по-новому координувати м'язові зусилля. Потім, коли ми знову сідаємо на велосипед, ці нервові ланцюги знову вмикаються - якщо, звичайно, вони з якоїсь причини не розпалися, якщо синапс між нейронами не зникли. Повертаючись до дендритних шипиків, можна сказати, що вони свідчать про реакцію нейрона на нову інформацію та готовність її запам'ятати.

Власне, мишам в експерименті влаштували теж щось на кшталт велосипеда: тварини повинні були зберігати рівновагу на палиці, що оберталася, яка оберталася все швидше і швидше. Згодом миші запам'ятовували, що треба робити, і вже не падали з неї. При цьому у нейронів моторної кори з'являлися ті самі дендритні вирости - клітини розуміли, що новий стимул важливий для організму і готувалися сформувати нові ланцюги. Тоді дослідники змінили умови досвіду: мишей тренували на палиці, що повертається, одну годину, але потім одних тварин відправляли спати на сім годин, а інші повинні були такий же час не спати. Виявилося, що у тих мишей, яким дозволили поспати, дендритні шипики зростали активніше. Іншими словами, сон допомагав нервовим клітинам настроїтись на запам'ятовування нової інформації.

Понад те, характер появи дендритних виростів залежав від цього, яке саме вправу потрібно було виконати. Наприклад, якщо миша повинна була йти по палиці, що обертається, в один бік, то шипики виникали на одних дендритах, а якщо потрібно було йти в інший бік, то шипики з'являлися на інших дендритах. Тобто, клітинна морфологія нейронних відростків залежала від того, що за інформацію потрібно було обробити.

Нарешті нейробіологам вдалося показати, що клітини моторної кори, від яких залежало виконання вправи, активувалися під час повільно-хвильової фази сну. Така активація уві сні була важливою для формування горезвісних шипиків: якщо «сонну» активність клітин пригнічували, то шипики не формувалися. Це було схоже на те, якби мозок знову прокручував для себе те, що він повинен був нещодавно виконувати під час неспання - прокручував, щоб краще запам'ятати.

У результаті вийшла така схема: нейрони під час пильнування отримують якийсь стимул або виконують якусь процедуру, потім під час сну ці клітини знову активуються, і така повторна активація стимулює клітинні перебудови, що сприяють довготривалому запам'ятовування стимулу. Те, що все саме так і відбувається, нейробіологи припускали давно, проте зараз вдалося отримати саме експериментальне підтвердження, і не на якихось дрозофілах, а на мозку ссавців. Хоча, звичайно, тепер вченим треба з'ясовувати, які молекулярні процеси тут задіяні, що за гени та білки керують збільшенням дендритних шипиків під час сну, які сигнальні шляхи тут працюють і т.д.

До речі, про дрозофіли: кілька років тому дослідники з Вашингтонського університету в Сент-Луїсі та Університету Вісконсіна в Мадісоні ставили схожі експерименти з плодовими мушками, і тоді результати говорили про те, що сон необхідний для консолідації пам'яті. Однак при цьому нейробіологи спостерігали очищення мозку дрозофіл від синапсів, тобто щось на кшталт редакції нервових контурів, очищення нейронів від непотрібних зв'язків, які б забирали ресурси від потрібних контактів. Швидше за все, таке усунення непотрібних синапсів не є специфічним процесом, властивим лише комахам (або членистоногім, або безхребетним), і в мозку вищих тварин у момент «сонного» закріплення пам'яті поряд з формуванням нових синапсів відбувається і розрив старих - залишилося тільки побачити це в експерименті.