Как нейроны справляются с многозадачностью

Некоторые нейроны сортируют входящие сигналы, реагируя на них полностью или частично.

Когда мы слышим про обонятельные или, скажем, зрительные нейроны, то понимаем, что речь идёт о нервных клетках, которые воспринимают обонятельный или зрительный сигнал соответствующим рецептором и передают его в мозг. Однако среди нейронов можно найти много примеров клеток-«многостаночников». Например, у мышей есть нейроны, которые реагируют одновременно на температуру и на очень сильное механическое раздражение; а у дрозофил есть нейроны, которые работают одновременно со зрительными, болевыми, температурными и проприоцептивными сигналами. (Проприоцепция – чувство тела, расположения его в пространстве и разных частей тела друг относительно друга.)

Исследователи из Медицинского института Говарда Хьюза, Технологического института Джорджии и других научных центров решил выяснить, как нейроны справляются с такой многозадачностью на примере похожих нервных клеток у круглого червя Caenorhabditis elegans. У него через всё тело протянуты два нейрона, которые, во-первых, помогают чувствовать положение тела (то есть работают с проприоцептивными сигналами), во-вторых, реагируют на холод, в-третьих, реагируют на грубые прикосновения. И проприоцептивное чувство, и грубое прикосновение относятся к одному и тому же роду сигнала – механическому. Как же можно различить два механических сигнала?

Чтобы нейрон почувствовал что-то – например, механическое давление – в клеточной мембране должен сидеть специальный белок, который откроет ионам путь через мембрану, ионы перегруппируются между наружной и внутренней стороной мембраны и в результате по нейрону побежит электрохимический импульс. У двух многозадачных нейронов червя C. elegans удалось найти сразу несколько таких белков. Из них трое открывали ионные каналы в ответ на механическое давление, соответствующее ощущению тела в пространстве, а один открывал ионный канал тоже в ответ на механическое давление, только очень грубое – когда этот мембранный белок стимулировали, червь старался побыстрее куда-нибудь уползти, скрыться бегством от опасности.

Но разные рецепторы для разных стимулов – ещё не всё. У всякого нейрона, как известно, есть отростки-дендриты, через которые клетка собирает сигналы от других клеток или от рецепторов, и отросток-аксон, который передаёт сигнал другим клеткам. Многозадачные нейроны у червя передают сигнал через свой аксон одной-единственной клетке-приёмнику. Возникает вопрос, как многозадачный нейрон разделяет разнородные сигналы.

В статье в Developmental Cell говорится, что всё дело тут в том, как клетка реагирует на то или иное воздействие. Если сигнал свидетельствует о грубом прикосновении, то можно видеть, как ионы перегруппировываются по всей клетке: сначала в дендритах, которые первыми принимают сигнал, затем в теле клетки, и затем – в аксонном отростке. От аксона сигнал через межнейронное соединение-синапс переходит на другой нейрон, и дальше этот сигнал заставляет червя беспокоиться.

Но если речь идёт о сигналах, которые говорят о том, что червь просто движется, то тут механическое раздражение не только действует на другие ионные каналы – такие сигналы, оказывается, не идут за пределы отростков-дендритов. То есть получается, что на нормальное проприоцептивное раздражение нейрон реагирует не полностью: сигнал не переходит с дендритов на тело и дальше на аксон. Но сами дендриты при этом выделяют из себя нейропептид NLP-12, который как-то действует на окружающие клетки и благодаря которому червь как-то ощущает себя в пространстве.

Соответственно, если разъединить синапс между многозадачным нейроном и той клеткой, которая принимает от него сигнал, то червь перестанет убегать от резкого раздражения, но продолжит «осмысленно» ползать – его чувство тела останется ненарушенным. Если же запретить дендритам выделять нейропептид NLP-12, то червь будет хорошо чувствовать резкое раздражение, но просто ползать ему станет очень трудно – он перестанет понимать, как он соотносится с окружающим пространством.

Возможно, что другие многозадачные нейроны решают проблему с многозадачностью иными способами. Тем не менее, на примере C. elegans видно, что нервные клетки в принципе могут передавать сигналы, возбуждаясь лишь частично, и что такая передача сигнала обходится без обычного синаптического соединения – достаточно химических сигналов, выделяемых отростками-дендритами. И это, конечно, расширяет наше представление о том, как могут работать нейроны и, очевидно, вся нервная система в целом.

Кстати, о некоторых особенностях дендритов, не укладывающихся в привычные представления, мы уже как-то писали: во-первых, в мозге можно найти нейроны, у которых передающий отросток аксон выходит непосредственно из принимающего дендрита – сигнал тут проходит экспресс-маршрутом, минуя тело клетки. Во-вторых, дендриты, как оказалось, довольно самостоятельны и могут регулировать начальные условия импульса, обрабатывая информацию в смешанном аналого-цифровом режиме.

По материалам The Scientist.