Как показала группа нейробиологов в своем недавнем исследовании, результаты которого опубликованы в Nature 27 октября 2013 года, мозг человека является гораздо более мощным компьютером, чем предполагалось ранее. Выяснилось, что дендриты – отростки нервных клеток, которые всегда считались чем-то вроде пассивной электропроводки, по сложности поведения сопоставимы с миникомпьютерами, обрабатывающими сигналы еще до их попадания в тело нейрона.

На сегодняшний день считается, что человеческий мозг является самым мощным компьютером. Он содержит более 100 млрд. нейронов, между которыми имеется более квадриллиона (миллиона миллиардов) соединений, так называемых синапсов, связывающих все нейроны в единую сеть. Центральная часть нейрона – тело – называется сомой. От сомы отходит один длинный отросток, в виде волокна, так называемый аксон. По аксону из сомы выходят нервные импульсы. С другой стороны у сомы имеется множество коротких отростков, так называемых дендритов, по которым нервные импульсы приходят в сому от других нейронов.

Группа исследователей под руководством нейробиолога Спенсера Смита (Spencer Smith) из Университета Северной Каролины, показала, что дендриты являются не просто пассивными проводами для пропускания электрических сигналов, они принимают самое непосредственное участие в обработке информации.

«Для нас это оказалось полной неожиданностью, но, похоже, действительно, вычислительная мощность нашего мозга намного больше, чем мы привыкли считать», – заявил руководитель исследования Спенсер Смит.

Всплески электрической активности

Как правило, нейроны для генерации и передачи всплеска электрической активности используют аксоны. Однако, как было выяснено в нескольких недавних исследованиях, многие из тех молекул, посредством которых генерируется электрический импульс, присутствуют и в дендритных отростках. И в экспериментах на образцах мозговой ткани было установлено, что дендриты, как и нейроны, могут генерировать точно такие же электрические импульсы, используя эти молекулы.

На тот момент, правда, было не до конца понятно, включены ли общую мозговую активность дендритные импульсы, и если да, то какова их роль в общем процессе обработки информации. Чтобы это выяснить, Смит и его коллеги поставили эксперимент. Они ввели тонкие стеклянные иглы, так называемые пипетки, внутрь дендритов нейронов, расположенных в участках мозга мыши, отвечающих за обработку зрительной информации.

«Пипеточный анализ – чрезвычайно сложная процедура, – заметил Смит. – К дендриту можно подобраться, как правило, только с одного направления. При этом вы не можете видеть сам дендрит. Все приходится делать вслепую. Это как ловить рыбу при условии, что видно только оставляемый ею электрический след».

После того, как удалось ввести пипетки в дендриты, ученые смогли записать электрическую активность отдельных дендритов в зрительной коре мозга анестезированной и затем проснувшейся мыши. Пока животное созерцало черно-белые полосы на компьютерном мониторе, исследователи зафиксировали необычный рисунок электрических сигналов или всплесков импульсов в дендритах.

«Когда мы начали записывать импульсы от дендритов, то увидели такие всплески активности, в которые просто трудно было поверить, – рассказывает Смит. – Если импульсы от аксонов обычно изолированные, их можно сравнить со строгими, отдельно стоящими обелисками, то дендритная активность, которую мы наблюдали, была беспорядочна, очень динамична, с чередующимися зонами хаоса и покоя».

Характер электрических сигналов от дендритов зависел от того, на какие элементы изображения в это время смотрела мышь. Это позволило исследователям сделать вывод, что дендриты, действительно, принимают непосредственное участие в обработке зрительной информации.

Миникомпьютеры

«Наша работа показывает, что дендриты, которые долгое время считались всего лишь пассивной проводкой для электрических сигналов, идущих к телу нервной клетки, на самом деле, играют ключевую роль в сортировке и интерпретации входных сигналов, получаемых нейронами, – пояснил соавтор работы Михаэль Хауссер (Michael Hausser) из Университетского колледжа Лондона. – Можно сказать, что дендриты действуют, как миниатюрные вычислительные устройства, которые обнаруживают и выборочно усиливают некоторые типы входных сигналов».

«Представьте, что вы делаете обратный инжиниринг какого-то неизвестного устройства. И то, что вы раньше всегда считали просто проводами, оказалось транзисторами, обрабатывающими информацию, – заметил Смит. – Вот о чем наше открытие».

В общем, «задачи, для выполнения которых, как мы раньше думали, необходим весь нейрон, оказывается, могут быть выполнены всего лишь частью его дендритного дерева, – пояснил Смит корреспонденту LiveScience. – Отсюда следует, что нейрон представляет собой огромный комплекс из многих и многих вычислительных единиц».

«Однако, – добавил Смит, – хотя теперь и установлено, что активность дендритов увеличивает общую вычислительную мощность мозга, совершенно пока неясно, как можно было бы оценить этот вклад количественно».

В дальнейшем ученые намереваются исследовать, какую роль играет активность дендритов в других областях мозга, помимо зрительной коры.
Хотя основной целью данной работы было изучение принципиальной схемы функционирования мозга, полученные результаты могут быть использованы и в клинических исследованиях нарушений мозговой деятельности.