Откройте любую книгу по биологии и без труда узнаете, что таламус — это область мозга, в основном работающая как ретранслятор, который передаёт сенсорную информацию отовсюду (кроме обоняния) на обработку в кору (подробнее об этом участке мозга можно прочитать в нашей специальной статье). Однако когда несколько исследователей из Гарварда присмотрелись к «началу пути» этой ретрансляции – связям между сетчаткой и таламусом, — они обнаружили кое-что интересное. А результаты исследования опубликованы в журнале Cell.
Нейронная цепь в зрительной области таламуса мыши. На фоне 100-терабайтного черно-белого массива данных электронной микроскопии цветом выделены сотни нейронов, связанных между собой в сложную сеть.
Джефф Лихтман (Jeff Lichtman), занимающий профессорскую должность имени Джереми Ноула по молекулярной и клеточной биологии и профессорскую должность по искусствам и науке имени Сантьяго Рамон-и-Кахаля, а также его постдокторант Джошуа Морган (Joshua Morgan) на примере детализированных схем нейронных сетей показали, что нейронные связи между сетчаткой и таламусом намного более сложны, чем считалось ранее. Возможно, они представляют собой первый этап обработки визуальной информации (на самом деле, конечно, второй, ибо первичная обработка проходит ещё в клетках сетчатки).
«Если заглянуть чуть глубже упорядоченной структуры сетчатки, можно увидеть, как резко она усложняется. Вместо связей между её аксонами или между другими видами клеток мы обнаружили удивительные хитросплетения — каждая клетка сетчатки расходится, чтобы связаться с различными видами клеток таламуса, а в каждую клетку таламуса поступает информация из множества клеток сетчатки», — рассказывает Лихтман.
Диск зрительного нерва разделён на группы нервных клеток. Каждая группа обрабатывает свою «составляющую» картинки: одни определяют цвет, другие — движение, третьи — фиксируют мелкие детали.
«Скармливая» данные с разных клеток сетчатки одной таламической клетке, мозг может уже на этом этапе начать сочетать элементы визуальной информации и воссоздавать образ окружающего мира, считает Лихтман.
«Например, грызун, живущий на поверхности, может обладать клетками, которые реагируют на чёрную точку, перемещающуюся на синем фоне, поскольку таким образом он распознаёт хищника. Все говорили, что это явление берёт начало где-то в мозге, но, возможно, если продвинуться на один синапс дальше сетчатки, вы неожиданно обнаружите как раз те самые типы смешанных соединений», — утверждает исследователь.
Точная структура этих сетей формируется на ранних этапах развития мозга и уникальна практически для каждой особи.
«Я всегда догадывался о чём-то подобном. Но я не ожидал обнаружить это в таламусе. Мы думали, что увидим, как мозг, развиваясь, создаёт чёткие и понятные пути, а оказалось, что нервная система образует весьма специфичные и индивидуальные связи. Вообще исследование изначально ориентировалось именно на таламус. Мы думали, что его будет сравнительно легко изучать. Задумка состояла в том, чтобы сначала изучить связи между таламусом и сетчаткой у взрослых, а потом вернуться назад в развитии и посмотреть, каким образом между ними образуются такие причудливые сплетения», — делится мыслями Лихтман.
Чтобы как следует изучить связи между клетками сетчатки и таламуса, Лихтман и Морган создали самый большой массив данных по электронной микроскопии нейронных связей в мозге — 100-терабайтное изображение, состоящее из 100 триллионов пикселей.
Морган использовал систему автоматического сканирования срезов мозга, а затем отследил, как нейроны таламуса соединяляются с нейронами сетчатки. По словам Лихтмана, он взял четыре плотно расположенных клетки в центре таламуса и для каждой нашёл группу связанных аксонов сетчатки, а также группу других клеток таламуса, управляемых теми же самыми аксонами.
Исследователи считают, что сделанные ими открытия бросают вызов сразу нескольким ключевым постулатам в науке об исследовании мозга.
«К примеру, существует область исследований, которые ведутся в рамках научно-исследовательского проекта BRAIN и других программ по определению количества типов клеток в мозге. Мы нашли клетки чётко различимой формы в таламусе, каждую из которых можно отнести к отдельному типу. Но мы также обнаружили, что по форме клетки не получается предсказать, с чем она соединяется. Это может означать, что даже клеточный тип, этот фундаментальный столп биологии, может оказаться шагом в неверном направлении», — сообщает Лихтман, ссылаясь на план «Исследование мозга через продвижение инновационных нейротехнологий».
Текст: Алексей Паевский
The Fuzzy Logic of Network Connectivity in Mouse Visual Thalamus by Josh Lyskowski Morgan, Daniel Raimund Berger, Arthur Willis Wetzel, and Jeff William Lichtman in Cell. Published online March 2016 doi:10.1016/j.cell.2016.02.033
Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте, Яндекс-Дзен, Одноклассниках и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram.