Как синапсы настраивают информацию для принятия решений?
Конфигурация электрических синапсов фильтрует сенсорную информацию, чтобы управлять поведенческим выбором.
Синаптические конфигурации играют ключевую роль в том, как нервная система обрабатывает сенсорную информацию для создания поведенческих реакций. Если химические синапсы хорошо изучены в этом контексте, то о том, как электрические синаптические конфигурации влияют на обработку сенсорной информации и контекстно-зависимое поведение, известно меньше.
Ученые из Йельского университета и Университета Коннектикута совершили значительный прорыв в понимании того, как мозг животных принимает решения. Их исследование подчеркивает ключевую роль электрических синапсов в «фильтрации» сенсорной информации. Оно показывает, как определенная конфигурация электрических синапсов помогает животным делать выбор, соответствующий контексту, даже при воздействии схожих сенсорных сигналов.
Мозг животных постоянно наполнен сенсорной информацией, требующей сложной системы фильтрации для расстановки приоритетов в отношении соответствующих деталей и включения соответствующих действий. Эта система, известная как «выбор действия», не просто блокирует нерелевантные стимулы, но и активно фокусируется на релевантной информации в зависимости от ситуации.
Исследователи изучали C. elegans, червя, который служит эффективной моделью для понимания выбора действия. Подвергаясь воздействию температурного градиента, червь может научиться предпочитать определенные температуры и использует простую, но эффективную стратегию для навигации к своей предпочтительной температуре.
Сначала черви движутся к своей предпочтительной температуре по градиенту, и как только они находят благоприятную температуру, они отслеживают ее, чтобы оставаться в пределах своего предпочтительного диапазона. Они также могут корректировать свое поведение в зависимости от контекста, используя градиентную миграцию, когда они далеки от своей предпочтительной температуры, и изотермическое отслеживание, когда они ближе к ней.
Возникает вопрос: как они выполняют правильное поведение в правильном контексте?
В своем новом исследовании ученые сосредоточились на электрических синапсах, связи между нейронными клетками, которая отличается от более часто изучаемых химических синапсов. Они обнаружили, что эти электрические синапсы, опосредованные белком INX-1, связывают определенную пару нейронов (нейроны AIY), ответственных за контроль решений по передвижению у C. elegans.
«Изменение этого электрического проводника в одной паре клеток может изменить выбор действий животного».
Исследователи обнаружили, что эти электрические синапсы не только передают сигналы — они также действуют как «фильтр». У червей с нормальной функцией INX-1 электрическое соединение ослабляет сигналы от термосенсорных нейронов, позволяя червю игнорировать незначительные колебания температуры и сосредотачиваться на существенных изменениях температурного градиента.
Этот механизм фильтрации обеспечивает эффективное перемещение червей к предпочитаемой ими температуре, не отвлекаясь на посторонние сигналы, например, сигналы от изотермических треков, которые встречаются по всему градиенту, но не соответствуют предпочитаемой температуре.
У червей, лишенных INX-1, нейроны AIY становятся гиперчувствительными и сильнее реагируют на незначительные колебания температуры. Эта повышенная чувствительность заставляет червей реагировать на небольшие сигналы, что приводит к тому, что они попадают в изотермы, которые не находятся в предпочитаемой ими температуре. В результате черви испытывают трудности с эффективным перемещением через температурный градиент, что снижает их способность достигать предпочитаемой ими температуры из-за аномального отслеживания изотерм в неправильном контексте.
«Это было бы похоже на наблюдение за сбитой с толку птицей, летящей с вытянутыми ногами. Птицы обычно вытягивают ноги перед приземлением, но если птица вытягивает ноги в неправильном контексте, это будет пагубно для ее нормального поведения и целей» — говорят исследователи.
Поскольку электрические синапсы присутствуют в нервной системе многих животных, от червей до людей, эти результаты имеют более широкие последствия. Они предполагают, что механизмы, обнаруженные у C. elegans, могут дать представление о том, как электрические синапсы влияют на поведение и сенсорную обработку у других видов, потенциально включая людей.
«Ученые могут использовать эту информацию, чтобы изучить, как отношения в отдельных нейронах могут изменить то, как животное воспринимает и реагирует на окружающую среду. Хотя конкретные детали выбора действия, вероятно, будут различаться, базовый принцип роли электрических синапсов в связывании нейронов для изменения реакций на сенсорную информацию может быть широко распространенным».
Синаптические конфигурации являются ключом к тому, как животные обрабатывают сенсорную информацию и реагируют. Новое исследование предполагает, что расположение электрических синапсов играет решающую роль в модуляции того, как нервная система обрабатывает контекстно-специфическую сенсорную информацию, в конечном итоге направляя восприятие и поведение животных.
Исследование было опубликовано в журнале Cell.