Исследователи из Флоридского института нейробиологии Макса Планка разработали новую комбинацию технологий, которая позволяет им определять функциональные свойства отдельных синапсов, которые связывают два полушария, и определять, как они расположены в дендритном поле нейрона.
Каждый из 20 миллиардов нейронов в коре головного мозга получает тысячи синаптических связей от других нейронов, образуя сложные нейронные сети, которые делают возможными ощущения, восприятие, движение и высшие когнитивные функции. В конечном итоге функция этих сетей зависит от событий, которые происходят в дендрите нейрона – отростках тела клетки нейрона, которые напоминают ветви дерева и получают синаптические связи от аксонов других нейронов. Важная часть головоломки корковых сетей, которая продолжается. бросить вызов нейробиологам – значит понять функциональную организацию синапсов в дендритном поле нейрона. Это требует определения функциональных свойств синаптических входов, которые принимает нейрон (что они передают), источника входных данных (откуда они поступают) и того, как они расположены в дендрите. В новой статье в Neuron исследователи MPFI подробно рассказывают, как недавно они разработали новые методы для ответа на эти вопросы, раскрывая функциональный порядок расположения удаленных и локальных синаптических входов в дендритном поле нейрона, которые могут играть важную роль в координации сетевой активности.
Аспирант Куо-Шэн Ли вместе с другими сотрудниками лаборатории Фитцпатрика исследовал этот вопрос в зрительной коре головного мозга мыши, сопоставив синаптические входы, которые связывают два кортикальных полушария через пучок волокон, называемый мозолистым телом. Считается, что этот путь играет решающую роль в координации деятельности двух полушарий головного мозга, а для зрительной системы – в объединении нашего бинокулярного взгляда на мир. Они разработали подход, который позволил бы им визуализировать отдельные дендритные отростки нейрона (небольшие дендритные образования, которые получают возбуждающие синаптические входы), охарактеризовать их функциональные свойства и определить, получают ли они каллозальные входные сигналы.
Чтобы визуализировать активность отдельных дендритных шипов, Lee et al., использовали передовую технику визуализации, основанную на сигналах кальция, которые обнаруживаются как изменения флуоресценции. Наблюдая за тем, как дендритные шипы «загораются» активностью в живом мозгу, они могли предъявлять животному различные зрительные стимулы и определять, какой из них был наиболее эффективным. Дендритные шипы, как и большинство клеток зрительной коры, выборочно реагируют на ориентацию краев визуальной сцены, поэтому это было функциональное свойство, которое они выбрали для определения для каждого шипа. Затем, чтобы определить, получает ли позвоночник синаптический сигнал от мозолистого тела, Ли и др. использовал прямую стимуляцию другого полушария и смотрел, какой из дендритных шипов загорится. Обнаружив, что небольшой процент шипов надежно и последовательно активируется за счет стимуляции мозолистых входов, они были готовы обсудить, как они расположены в дендритном поле.
Одна интересная возможность заключалась в том, что каллозальные входы с одинаковым предпочтением ориентации могут быть сгруппированы вместе в дендритном поле. Предыдущие результаты предоставили доказательства кластеризации синаптических входов по функциональным свойствам и предположили, что коактивация кластеризованных входов может усилить их влияние на реакцию нейрона. Но, когда они выполнили анализ, они обнаружили, что близкие пары шипов, получающие мозолистый вход, не более вероятно имели подобное предпочтение ориентации, чем случайное распределение шипов в дендритном поле. Затем они рассмотрели другую возможность. Возможно, мозолистые шипы были сгруппированы с не-мозолистыми шипами с одинаковым предпочтением ориентации, в результате чего шипы с удаленными и локальными входами, которые имеют аналогичное предпочтение ориентации, оказывались в непосредственной близости на дендрите. Когда они взяли пары близких шипов, один – мозолистого реципиента, а другой – не каллозального реципиента, и исследовали ориентационное предпочтение пар, они были взволнованы, обнаружив, что они более похожи друг на друга, чем можно было бы ожидать случайно.
Ли и др. признали, что их выводы будут укреплены, если они смогут подтвердить функциональные доказательства упорядоченной локальной и мозолистой связи с помощью другого экспериментального подхода: определения синаптических связей анатомически. Для этого они использовали новую технику, называемую экспансионной микроскопией, для анатомической визуализации наноразмерных синаптических контактов с помощью обычной световой микроскопии. Результаты согласовывались с результатами функциональной стимуляции, демонстрируя, что мозолистые входы и локальные входы (полученные из области прямо вокруг целевого нейрона), которые демонстрируют сходное предпочтение ориентации, сгруппированы в дендритном поле.
Эти наблюдения помещают концепцию функциональной кластеризации в совершенно новый контекст: «птицы перья стекаются вместе» и «противоположности притягиваются». Функциональная кластеризация представляет собой мелкомасштабный пространственный образец специфичности в связях внутри дендритного поля, который может объединять входные данные, имеющие схожие свойства и полученные из разных сетей. В сочетании с доказательствами того, что функциональная кластеризация шипов в дендритном поле может усиливать их влияние на нейронный ответ, нейроны в зрительной коре могут использовать эту стратегию для генерации устойчивых ответов на согласованные по ориентации входы от двух полушарий, способствуя беспрепятственному восприятию визуальный мир. Подобная структура может применяться к мозолистым связям, которые связывают другие области коры, мелкомасштабной организации синапсов в дендритах отдельных нейронов, которая имеет ответвления для крупномасштабной сетевой функции.