Хоча було показано, що деякі нейрони та нейронні популяції (наприклад, сенсорна кора) мають певний тип спрямованої чутливості та просторово-часовий зразок стимуляції для впливу на нейрональну відповідь, 50-річна гіпотеза Вільфріда Ралла зараз прямо підтверджена вперше технічно вражаючою серією експериментів.
Близько 50 років тому Вільфрід Ралл, один із засновників обчислювальної нейронауки, спробував відповісти на одне з найбільш фундаментальних питань нейронауки: як нейрони виявляють, організовують та обробляють безліч хімічних та електричних сигналів, що надходять у тисячі синапсів з їх дендритів. Він висунув гіпотезу, що реакція клітинного тіла визначається порядком активації синапсів на дендритах: від периферії до клітинного тіла (доцентрово) або в протилежному напрямку (відцентрово). Наприклад, активація в одному напрямку може викликати потенціал дії, стріляючи, тоді як в іншому напрямку тіло клітини залишається мовчазним.
Хоча з тих пір було показано, що деякі нейрони та нейронні популяції (наприклад, сенсорна кора) мають відчуття спрямованої чутливості та що просторова та тимчасова схема стимуляції впливає на реакцію нейронів, Вперше гіпотезу ралі можна було безпосередньо перевірити за допомогою технічно вражаючої серії експериментів.
Експерименти проводились на Branco та співавт. На зрізах мозку щурів за допомогою лазерного методу можна стимулювати невеликі, вибрані частини дендритів. Коркові пірамідні клітини, які є одними з найбільших клітин головного мозку і мають безліч дендритів, були вивчені, кожна з яких має тисячі дендритних шипів або виступів, які отримують вхід від синапсу. Так звані з двофотонною контрольованою лазерною стимуляцією світла змогли доставити глутамінову кислоту, що активує нейромедіатор, до вибраного дендритного колоска, тобто вони змогли точно регулювати стимуляцію дендритів у просторі та часі. Таким чином, вони також можуть створювати складні шаблони стимуляції.
Їх головним результатом було обгрунтування припущення Ролла: нейрони виявилися надзвичайно чутливими до напрямку стимуляції. Ралл виявився добре продуманим: реакція тіла нейрональної клітини була найсильнішою, коли напрямок входів збудження був доцентровим і найслабшим, коли напрямок активації був відцентровим. Крім того, Бранко та його команда також проливають світло на це який механізм може приписувати цю властивість.
Ключова роль рецептора NMDA
Ральл припустив, що це просто а пасивні властивості дендритів відповідають за спрямованість, а саме, що дендрити стають тоншими і тоншими від початку до кінця, і, отже, його електричні властивості змінюються по довжині дендритів, а його імпеданс стає більшим із наближенням до кінця дендритів. Отже, електричний сигнал, що генерується навколо кінця дендриту, повинен «долати» більший імпеданс, коли він рухається до тіла клітини, ніж сигнал, що генерується навколо основи дендриту. Однак цей пасивний механізм пояснював би спрямованість, лише якщо дендрити були дуже довгими. Однак це не так: 90% надходжень до піроїдних клітин кори відбувається через базальні дендрити, які занадто короткі, щоб механізм Релла працював на них.
Бранко та колеги - елегантний альтернативний механізм виявили, що було показано, що рецептор NMDA (N-метил-D-аспартат), який активується глутаміновою кислотою, відіграє ключову роль у чутливості до напрямку. Це рецептор, що залежить від напруги - тобто відкриває або закриває іонний канал залежно від величини мембранного потенціалу - і підвищує чутливість дендритів до певних послідовностей активації синаптиків, включаючи доцентрові активаційні послідовності, за відповідних умов. Про це свідчать рецептори NMDA блокування значною мірою виключає спрямовану чутливість.
Мабуть, найцікавішим відкриттям було те, що спрямована чутливість існує навіть тоді, коли активізуються різні точки дендриту, але частини різних дендритів на різній відстані від тіла клітини. Автори випробували різноманітні просторові та часові схеми активації, і в кожному випадку були дані lбільша реакція, якщо стимуляція була доцентровою. Результати були змодельовані комп’ютером і виявлено, що їх цілком можна пояснити двома факторами: зміною імпедансу вздовж дендритів та дією рецепторів NMDA. Все це означає, що це нейрони дуже вибіркові: вони реагують лише на певні просторові та часові моделі активації. Це, ймовірно, стосується майже всіх нейронів, оскільки зміни дендритного імпедансу та рецепторів NMDA присутні у більшості нейронів.