Как электрические синапсы фильтруют сенсорную информацию для лучших решений
Ученые из Йельского университета и Университета Коннектикута сделали важный шаг в понимании того, как мозг животных принимает решения, выявив ключевую роль электрических синапсов в «фильтрации» сенсорной информации.
Новое исследование, опубликованное в журнале Cell, показывает, как специфическая конфигурация электрических синапсов позволяет животным делать выбор, соответствующий контексту, даже при схожих сенсорных сигналах.
Мозг животных постоянно подвергается бомбардировке сенсорной информацией. Ученые считают, что для ее осмысления требуется сложная система фильтрации, которая фокусируется на релевантных деталях. Эта система не просто блокирует «шум» — она активно расставляет приоритеты в зависимости от ситуации. Фокусировка на определенной сенсорной информации и запуск контекст-специфичного поведения известны как «выбор действия».
Исследование, проведенное под руководством Йельского университета, было сосредоточено на черве C. elegans, который, несмотря на простоту, является мощной моделью для понимания нейронных механизмов выбора действия. C. elegans может научиться предпочитать определенные температуры. Находясь в температурном градиенте, он использует простую, но эффективную стратегию для навигации к предпочитаемой температуре.
Черви сначала перемещаются по градиенту к предпочитаемой температуре («градиентная миграция»), а затем, определив подходящие условия, отслеживают эту температуру, чтобы оставаться в предпочитаемом диапазоне («изотермическое отслеживание»). Черви могут выполнять эти действия контекст-специфично: использовать градиентную миграцию, когда далеки от цели, и изотермическое отслеживание — когда близки к ней.
Но как они выбирают правильное поведение в правильном контексте?
Исследователи изучили особый тип связи между нейронами — электрические синапсы, которые отличаются от более изученных химических. Они обнаружили, что эти синапсы, опосредованные белком INX-1, соединяют конкретную пару нейронов (AIY-нейроны), отвечающих за контроль двигательных решений червя.
«Изменение этого электрического канала в одной паре клеток может изменить то, что животное решает делать», — сказал Дэниел Колон-Рамос, профессор нейробиологии и клеточной биологии Йельской школы медицины и автор-корреспондент исследования.
Команда выяснила, что эти электрические синапсы не просто передают сигналы, но и действуют как «фильтр». У червей с нормальной функцией INX-1 электрическое соединение эффективно подавляет сигналы от термочувствительных нейронов, позволяя червю игнорировать слабые температурные вариации и фокусироваться на более значительных изменениях в градиенте.
Это гарантирует, что черви эффективно перемещаются по градиенту к предпочитаемой температуре, не отвлекаясь на контекстно-нерелевантные сигналы, такие как те, что встречаются при изотермическом отслеживании.
Однако у червей без INX-1 AIY-нейроны становятся гиперчувствительными, сильно реагируя на незначительные температурные колебания. Эта гиперчувствительность заставляет червей реагировать на слабые сигналы, застревая на изотермах, не соответствующих их предпочитаемой температуре. Такое аномальное отслеживание в неправильном контексте ухудшает способность червей двигаться по градиенту к цели.
«Это похоже на птицу, которая летит с вытянутыми лапами в замешательстве. Птицы обычно вытягивают лапы перед посадкой, но если сделать это в неправильном контексте, это навредит нормальному поведению и целям», — пояснил Колон-Рамос.
Поскольку электрические синапсы встречаются в нервных системах многих животных, от червей до человека, выводы исследования имеют значение, выходящее за рамки поведения C. elegans.
«Ученые смогут использовать эту информацию, чтобы изучить, как связи в отдельных нейронах меняют восприятие животным окружающей среды и его реакцию на нее», — сказал Колон-Рамос. — Хотя конкретные детали выбора действия, вероятно, различаются, лежащий в основе принцип роли электрических синапсов в соединении нейронов для изменения реакции на сенсорную информацию может быть широко распространен.
Например, в нашей сетчатке группа нейронов, называемая «амакриновыми клетками», использует аналогичную конфигурацию электрических синапсов для регуляции зрительной чувствительности при адаптации глаз к изменениям освещения».
Конфигурации синапсов центральны для обработки сенсорной информации и последующей реакции. Результаты нового исследования показывают, что конфигурации электрических синапсов играют решающую роль в модуляции того, как нервные системы обрабатывают контекст-специфичную сенсорную информацию для управления восприятием и поведением животных.