Sensibilitatea direcțională a activării neuronale

Deși s-a demonstrat că unii neuroni și populații neuronale (cum ar fi cortexul senzorial) au un fel de sensibilitate direcțională și modelul spațial și temporal de stimulare pentru a influența răspunsul neuronal, ipoteza de 50 de ani a lui Wilfrid Rall a fost confirmată acum direct pentru prima dată printr-o serie impresionantă de experimente din punct de vedere tehnic.

Cu aproape 50 de ani în urmă, Wilfrid Rall, unul dintre fondatorii neuroștiințelor computaționale, a încercat să răspundă la una dintre cele mai fundamentale întrebări din neuroștiințe: cum detectează, organizează și procesează neuronii semnalele chimice și electrice care intră în mii de sinapse din dendritele lor. El a emis ipoteza că răspunsul corpului celular este determinat de ordinea în care sunt activate sinapsele pe dendrite: de la periferie la corpul celulei (centripet) sau în direcția opusă (centrifugal). Activarea într-o direcție, de exemplu, poate declanșa potențiale de acțiune, declanșând, în timp ce în cealaltă direcție, corpul celulei rămâne tăcut.

Deși, de atunci, unii neuroni și populații neuronale (de exemplu, cortexul senzorial) s-au dovedit a avea un sentiment de sensibilitate direcțională și că modelul spațial și temporal de stimulare influențează răspunsul neuronal., Pentru prima dată, ipoteza raliului ar putea fi verificată direct cu o serie impresionantă de experimente din punct de vedere tehnic.

Experimentele au fost efectuate pe Branco și colab. Pe felii de creier de șobolan folosind o metodă cu laser pentru pot fi stimulate părți mici, selectate de dendrite. Celulele piramidale corticale, care se numără printre cele mai mari celule ale creierului și au mai multe dendrite, au fost studiate, fiecare cu mii de vârfuri dendritice sau proeminențe care primesc intrări dintr-o sinapsă. Asa numitul cu stimulare cu lumină laser controlată cu doi fotoni au fost capabili să livreze acid glutamic, un neurotransmițător activator, către un vârf dendritic selectat, adică au reușit să regleze cu precizie stimularea dendritelor în spațiu și timp. Astfel, ar putea crea și modele complexe de stimulare.

Principalul lor rezultat a fost să justifice presupunerea lui Rall: neuronii s-au dovedit a fi extrem de sensibili la direcția de stimulare. Rall s-a dovedit a fi bine gândit: răspunsul corpului celulei neuronale a fost cel mai puternic atunci când direcția intrărilor de excitație a fost centripetă și cea mai slabă atunci când direcția de activare a fost centrifugă. În plus, Branco și echipa lui au arătat, de asemenea, lumină în acest sens ce mecanism poate atribui această proprietate.

Rolul cheie al receptorului NMDA

Rall a presupus că a fost doar un proprietățile pasive ale dendritelor sunt responsabile de sensibilitatea direcțională, și anume că dendritele devin din ce în ce mai subțiri de la început până la sfârșit și, prin urmare, proprietățile sale electrice se schimbă de-a lungul lungimii dendritelor, impedanța crescând pe măsură ce dendritele se apropie de sfârșit. Prin urmare, semnalul electric generat în jurul capătului dendriticului trebuie să „depășească” o impedanță mai mare pe măsură ce se deplasează către corpul celulei decât semnalul generat în jurul bazei dendriticului. Cu toate acestea, acest mecanism pasiv ar explica sensibilitatea direcțională numai dacă dendritele ar fi foarte lungi. Cu toate acestea, acest lucru nu este cazul: 90% din intrările în celulele piramidale corticale vin prin dendrite bazale, care sunt prea scurte pentru ca mecanismul Rall să funcționeze asupra lor.

Branco și colegii sunt un elegant mecanism alternativ a descoperit că receptorul NMDA (N-metil-D-aspartat), care este activat de acidul glutamic, s-a dovedit că joacă un rol cheie în sensibilitatea direcțională. Este un receptor dependent de tensiune - adică deschide sau închide un canal ionic în funcție de valoarea potențialului membranei - și crește sensibilitatea dendritelor la anumite secvențe de activare sinaptică, inclusiv secvențe de activare centripetă, în condiții adecvate. Acest lucru este dovedit de receptorii NMDA blocarea elimină în mare măsură sensibilitatea direcțională.

Poate că cea mai interesantă descoperire a fost că sensibilitatea direcțională există chiar și atunci când sunt activate diferite puncte ale dendritei, dar părți ale dendritelor diferite la distanțe diferite de corpul celulei. Autorii au încercat o varietate de modele de activare spațială și temporală și, în fiecare caz, au primit lrăspuns mai mare dacă stimularea a fost centripetă. Rezultatele au fost modelate computerizat și au constatat că acestea ar putea fi pe deplin explicate prin doi factori: schimbarea impedanței de-a lungul dendritelor și efectul receptorilor NMDA. Toate acestea înseamnă că neuronii sunt foarte selectivi: răspund doar la anumite tipare de activare spațială și temporală. Acest lucru se va aplica aproape tuturor neuronilor, deoarece modificările impedanței dendritice și ale receptorilor NMDA sunt prezente în majoritatea neuronilor.