Основная статья: Тело человека
Строение нейронов
Клетка нейрона содержит ядро, тело клетки и отростки (дендриты и аксоны). Если можно так сказать, то нейрон - это самая "отросчатая" клетка в человеческом организме, так как его дендриты и аксоны растягиваются словно провода, соединяя нейрон с другими нейронами.
Так, нейроны соединяются один с другим, формируя биологические нейронные сети. По сути, циркуляция возбуждения в этих сетях - это и есть наше мышление, наши чувства, это и есть мы.
Нейроны бывают разного размера: от 4 до 100 мкм в ширину.
Чтобы представить их размер, сравните с точкой в этом тексте, её размер примерно 500 микрон, т.е. в одной точке может содержаться около 100 нервных клеток.
Дивергенция - способность одиночного нейрона устанавливать многочисленные связи
Дивергенция - способность одиночного нейрона устанавливать многочисленные связи с различными нервными клетками.
Ниже на видео показано формирование нейронных систем. Рост живой нейронной сети.
Таким образом, каждый нейрон может обеспечивать широкое распространение импульса из одной точки на целый орган или систему. Также, благодаря процессу дивергенции одна и та же клетка может участвовать в организации различных реакций и контролировать большее число нейронов.
В ходе исследований был снят процесс изменения структуры нейронных связей в живом организме:
Синапс - соединение между нейронами
Как происходит передача нервного импульса от одного нейрона к другому
Вопреки расхожему мнению, передача нервного импульса вовсе не электрический процесс (в отличие от проведения импульса). Всё это - химический процесс, который осуществляется благодаря медиаторам.
Нейромедиаторы — короткоживущие вещества локального действия; они выделяются в щель между нейронами и передают сигнал соседним клеткам. Всё это соединение двух нейронов называется синапс.
Зачем организму необходимы такие синапсы? Почему нельзя просто непрерывно передавать импульс? На 100 процентов пока ещё нельзя сказать, однако, понятно одно - подобные щели позволяют лучше контролировать и направлять нервные процессы в нашем организме. Вместо простого проведения импульса из точки А в точку Б, наш мозг как бы расставляет "блокпосты", на которых он может затормозить импульс (сделать рецепторы нечувствительными к нейромедиатору) или же, например, ускорить его (путём увеличения количества медиатора в щели).
Весь процесс транспортировки нейромедиатора через синаптическую щель в анимации ниже:
Нервные импульсы перемещаются со скоростью 402 километра в час
Ощущение боли, по сути, наступает мгновенно, когда вы касаетесь чего-то горячего или укалываетесь иголкой. Благодаря нашей высокоразвитой нервной системе человек может реагировать менее чем за миллисекунду на вещи, от которых следует держаться подальше.
Нервные импульсы настолько быстрые, что электрические сигналы, отвечающие за ощущения, путешествуют в мозг и из мозга со средней скоростью 402 километра в час.
Миелин предотвращает рассеивание нервных импульсов
Миелиновая оболочка — электроизолирующая жирная белая оболочка, покрывающая аксоны многих нейронов.
Миелин нарастает на наиболее часто используемых путях в мозге. Нейроны с миелином передают электрические сигналы в 10 раз быстрее, чем нейроны без миелина.
Миелин прерывается только в области перехватов Ранвье, которые встречаются через правильные промежутки длиной 0.2 mm – >1 mm. В связи с тем, что ионные токи не могут проходить сквозь миелин, вход и выход ионов осуществляется лишь в области перехватов. Это ведёт к увеличению скорости проведения нервного импульса. Таким образом, по миелинизированным волокнам импульс проводится приблизительно в 5—10 раз быстрее, чем по немиелинизированным.
Миелиновую оболочку образуют глиальные клетки: в периферической нервной системе — Шванновские клетки, в центральной нервной системе — олигодендроциты. Миелиновая оболочка формируется из плоского выроста тела глиальной клетки, многократно оборачивающего аксон подобно изоляционной ленте.
Общая длина волокон миелина человеческого мозга (включая и волокна, что соединяют между собой полушария, формируя так называемое мозолистое тело) оценивается в примерно 150 тысяч километров. Это равно четырем окружностям земного экватора.
Как нейроны анализируют поступающие импульсы
Каждый из нейронов способен принимать сотни сообщений в секунду
Чтобы не оказаться перегруженным информацией, он должен уметь судить о степени ее значимости и делать ее предварительный анализ.
Эта вычислительная деятельность происходит внутри клетки. Там складываются возбуждающие и вычитаются тормозящие импульсы.
И для того чтобы нейрон сгенерировал собственный импульс, необходимо, чтобы сумма предыдущих оказалась больше определенного значения.
Если сложение возбуждающих и тормозящих импульсов не превысит этот предел, нейрон будет "молчать".
Образование новых нейронов
Нейрогенез и синаптический прунинг
Мозг обладает способностью к нейрогенезу, то есть к образованию новых нейронов, только во время внутриутробного развития, до первых месяцев жизни.
Однако в первые три года жизни образует максимальное количество синапсов. Согласно некоторым исследованиям, у малыша трех лет от роду в мозге действует около миллиона миллиардов контактов: каждый нейрон вступает в контакт с другим не менее 15 тысяч раз.
У взрослого сохраняется примерно половина этих соединений. Очень любопытный выбор эволюции: вместо того чтобы накапливать связи, она предпочла создать их избыток, чтобы потом спокойно пожертвовать лишними.
Этот процесс называется синаптический прунинг.
Изучение нейрогенеза (образования новых нервных клеток — нейронов) — относительно новое направление исследований. За последние годы было доказано, что новые нейроны на протяжении всей жизни образуются в мозге многих млекопитающих, однако по вопросу о нейрогенезе у человека консенсуса в научном сообществе к 2019 году до сих пор нет.
Новые методы визуализации (такие, как конфокальная микроскопия), позволили доказать, что по крайней мере до полового созревания новые нейроны образуются в человеческом гиппокампе — области мозга, участвующей в формировании эмоций и памяти.
Исследования показывают, что в зубчатой фасции (части мозга, где происходит нейрогенез) имеются тысячи молодых, не до конца оформившихся нейронов во всех пробах, вне зависимости от возраста людей. Однако чем старше человек, тем меньше в зубчатой фасции клеток, вырабатывающих вещества, которые связаны со способностью мозга к перестройке существующих нейронных связей и образованию новых.
В заключении можно сказать, что всё-таки во взрослом возрасте также появляются новые нейроны, однако они образуют меньше связей друг с другом и другими нейронами, или реже мигрируют в другие отделы мозга, так что мы не можем назвать это полной регенерацией.
Влияние алкоголя на нейроны плода
В умеренных дозах алкоголь не убивает взрослые нейроны, но он может оказывать сильное воздействие на развивающиеся нервные клетки.
Поскольку почти все нейроны формируются и перемещаются на свои места еще до рождения, мозг плода очень восприимчив к алкоголю.
Алкоголь может убить недавно появившиеся на свет нейроны, воспрепятствовать их рождению и помешать их перемещению от места рождения на место конечного пребывания.
Даже кратковременного увеличения уровня алкоголя в крови бывает достаточно, чтобы некоторые нервные клетки плода погибли.
Глиальные клетки - клей для нейронов
Глиальные клетки действительно, как думали ученые раньше, играют роль клея – они окружают нейроны и удерживают их в определенном месте.
Кроме того, они поставляют нейронам топливо – питательные вещества и кислород – и работают электриками, выстраивая миелиновые оболочки, регулирующие передачу потенциала вдоль аксонов.
Освоили глиальные клетки и профессию дворников – они задерживают патогены и устраняют нейроны, прекратившие всякую активность.
Без этих важных функций глиальных клеток человеческий мозг не мог бы функционировать столь эффективно, как сейчас.
Как мы теряем нервные клетки с самого рождения
Сколько нейронов (нервных клеток) в мозге человека? У нас их около 85 миллиардов. Для сравнения, у медузы - всего 800, у таракана - миллион, а у осьминога - 300 млн. Многие считают, что нервные клетки гибнут лишь в пожилые годы, но большая их часть теряется нами еще в детстве, когда в голове ребенка происходит процесс естественного отбора. Как в джунглях, среди нейронов выживают наиболее эффективные и приспособленные.
Правда ли, что мозг человека работает как компьютер?
Основная статья: Мозг человека
Это не совсем так, ведь мозг человека гораздо мощнее. Компьютер работает последовательно, а мозг человека параллельно. Это связано с тем, что нейроны выполняют одновременно все функции компьютера — запоминание, воспроизведение, хранение.
Одна ячейка памяти компьютера может иметь только одно из двух значений, а мозг устроен гораздо сложнее в этом плане. У нейронов есть так называемые шипики — отростки, которые и отвечают за соединения и получение связей. Это прямой аналог нуля и единицы в ячейке данных памяти компьютера. Один нейрон может иметь более 20 соединений. Это говорит о том, что наш мозг настолько совершенен, что компьютеры не смогут приблизиться к нему по уровню производительности, скорее всего, никогда.
Роль нейронов в работе памяти
Физиологической основой памяти являются "следы" ранее бывших нервных процессов, сохраняющихся в мозге. Любой вызванный внешним раздражением нервный процесс (например, передача изображения какого-то рисунка в мозг), не проходит для нервной ткани бесследно, а оставляет в ней как бы «след» в виде определенных функциональных изменений. Таким образом, при восприятии определенной информации, между некоторыми группами нейронов образуется связь, которая и кодирует эту инфорамцию. И чем чаще данная информация поступает в мозг, тем чаще нервный импульс проходит по связи и тем больше связь "закрепляется".
Когда мы увидим, например, рисунок еще раз, то нервный импульс пройдет по знакомому пути и связь между определенными нейронами станет еще сильнее и так далее.
Согласно последним исследованиям, материальным носителем информации о разных событиях является не возбуждение разных нейронов, а различные комплексы нейронных сетей, которые и образуются в момент восприятия информации.
Ниже запись эксперимента на эту тему: здесь нейроны образуют между собой новые связи прямо в пробирке.
Нейроны, специализирующиеся на распознавании лиц
В зрительной зоне мозга существуют нейроны, специализирующиеся на распознавании лиц. Они анализируют черты лица, в первую очередь – форму глаз, и относят их к категории «человеческие лица».
После этого они сравнивают эти образы с образами, хранящимися в памяти. В результате, мы можем быстро распознавать лица наших родственников и знакомых.
При поражении этой зоны мозга возникает невозможность распознавать лица, даже самые знакомые, при том, что и зрение и распознавание других объектов может оставаться на нормальном уровне.
Чтение мыслей
Основная статья: Чтение мыслей
Искусственные нейроны
2023
Нервные сети начали печатать на 3D-принтере с помощью новых биочернил
Команда исследователей из Университета Монаша использовала биочернила с содержанием живых нейронов и неклеточных материалов, которые при печати формировали трехмерные нервные сети. Об этом 20 сентября 2023 года сообщил Университет Монаша.
Сети могут расти в лабораторных условиях и отвечают на сигналы нервов. Исследователи смогли сымитировать расположение «серого» и «белого» вещества в мозгу человека. У нейронов серого вещества обнаружили рост в слой белого вещества. «Они использовали его как магистраль для связи с нейронами в других слоях», — объяснили авторы.
Ранее в исследованиях использовались двухмерные структуры нервных клеток, но они не полностью отражают процесс роста нейронов и взаимодействие с окружающей средой.
 | Нейронные сети, созданные в рамках исследования, довольно точно отражают трехмерную природу нейронных цепей в живом мозге, в котором нервные клетки расширяют отростки, называемые нейритами, для формирования связей между различными слоями коры мозга - заявил профессор Джон Форсайт, возглавляющий исследование. |  |
Форсайт добавил, что исследователям не только получилось воссоздать структуру мозга, но и настоящее поведение и действия нейронов.
Электрофизиологические измерения показали нервную активность в искусственной нервной сети. Это прорыв в сферах нейронауки и биопринтинга.
Напечатанные нервные сети могут использоваться в исследованиях, изучающих, как формируются и растут нервы и их связи. Так ученые смогут понять, как различные заболевания влияют на передачу нервных реакций, а также проверять, какие эффекты лекарства оказывают на нервные клетки.
Другие успехи в биопечати недавно представили ученые из Германии. Их биочернила позволили напечатать пульсирующие желудочки сердца.[1]
Разработаны искусственные нейроны, способные подключаться к живым в организме человека
В середине января 2023 года появилась информация о том, что исследователи из Университета Линчепинга в Швеции разработали искусственные нейроны, которые демонстрируют 15 из 20 характеристик биологических нейронных клеток и могут общаться с естественными нейронами в организме. Ученые назвали свое устройство "органическим электрохимическим нейроном на основе проводимости" (c-OECN).
В основе c-OECN лежат материалы, способные проводить отрицательный заряд, включая органические электрохимические транзисторы и проводящие полимеры n-типа. Напечатав тысячи таких транзисторов на гибкой подложке, исследователи смогли создать искусственные нейроны. Устройство использует ионы для управления потоком электричества, подобно биологическим нейронам, и на данный момент шведская команда продемонстрировала, что оно может управлять блуждающим нервом у мышей, что позволяет предположить, что оно имеет большой потенциал для применения в медицине.
Искусственный нейрон c-OECN является примером, поскольку он использует ионы для управления электричеством, проходящим через него, подобно тому, как это делают биологические нейроны, открывая и закрывая ионные каналы. Ученые надеются, что эти искусственные нейроны могут помочь в создании более реалистичного нейронного контроля в различных медицинских технологиях. Искусственные нейроны используют ионы для управления электричеством, проходящим через проводящий полимер внутри них, что приводит к скачкам напряжения, имитирующим то, что происходит в настоящих нейронах. Технология позволяет устройству контролируемо увеличивать и уменьшать ток в виде почти идеальной колоколообразной кривой, что напоминает электрическую активность в нейронах, которая контролируется натриевыми ионными каналами.
На январь 2023 года исследователи протестировали технологию на мышах и имплантировали напечатанные нейроны с целью управления блуждающим нервом. Нейроны успешно взаимодействовали с блуждающим нервом, что привело к снижению частоты сердечных сокращений у мышей на 4,5%.[2]
Исследования
1860: Первое описание нейрона Отто Дейтерса
Этот рисунок сделал в 1860 году молодой немецкий анатом Отто Дейтерс. На тот момент ему было всего 26 лет.
Это — первое в истории полноценное описание классического нейрона, в котором были выделены дендриты и аксон.
Отто Дейтерс умер от тифа всего в 29 лет, однако успел сделать в нейронанатомии очень много.
Технологии для исследования нейронов
2023
В России разработали технологию выращивания клеток головного мозга
В конце ноября 2023 года в Белгородском государственном университете сообщили о разработке технологии культивирования нейронов. Благодаря ей можно будет определять влияние нейротоксинов или нейропротекторов на интенсивность дыхания клеток.
Как рассказали «Газете.Ru» рассказали в Минобрнауки РФ, учеными был создан метод выращивания первичной смешанной культуры нейронов гиппокампа (отдел мозга, который отвечает за кратковременную память и последующий перевод информации в долговременную память) 18-дневного эмбриона и новорожденных грызунов. Этим способом, как утверждается, можно выращивать нейроны разных видов. Также этот способ позволяет избежать глиоза и закисления среды.
Технология в дальнейшем может применяться при проведении скрининговых доклинических исследований и тестировании фармакологических субстанций. Еще одной потенциальной сферой применения разработки назван подбор правильных условий для выращивания нейронов уже на начальных этапах дифференцировки клеток, добавила руководитель проекта, старший научный сотрудник лаборатории генетических технологий и генного редактирования для биомедицины и ветеринарии Марина Скоркина.
Отмечается, что в своем эксперименте ученые использовали специальные приборы для выращивания клеточных культур вдвое больше, чем использовались до этого.[3]
В России научились выращивать клетки мозга из вспомогательной живой ткани
В России научились выращивать клетки мозга из вспомогательной живой ткани. Своим достижением в августе 2023 года поделились ученые Института цитологии Российской академии наук (ИНЦ РАН) с коллегами из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Подробнее здесь.
В России впервые в мире удалось «перепрограммировать» одиночный нейрон в мозге
Команда российских и зарубежных ученых в рамках эксперимента на мышах впервые смогла изменить характер работы одиночного нейрона головного мозга. Об этом в Российском научном фонде (РНФ) сообщили в середине апреля 2023 года.
Отмечается, что данный эксперимент подтвердил распространенные среди ученых представления о пластичности центральной нервной системы. Феномен пластичности играет ключевую роль в том, что живые клетки мозга способны одновременно и харнить, и обрабатывать информацию.
| | Мы показали, что, искусственно активируя единичный нейрон, можно изменить его ответ на зрительный стимул. Это доказывает, что нейроны изменяют свои свойства, например, при обучении и создании новых связей между клетками в процессе запоминания информации, — описал результаты исследования директор Института высшей нервной деятельности РАН Алексей Малышев. | |
В основе человеческой памяти, способности учиться и изменять свое поведение в зависимости от ситуации лежит синаптическая пластичность, то есть умение нервных клеток изменять силу связей друг с другом. Это свойство заключается в том, что синапс — место контакта между нейронами — может передавать сигнал от одной клетки к другой с разной эффективностью. Так, например, если мы запоминаем какую-либо информацию, связи между нейронами, отвечающими за ее «сохранение», становятся более устойчивыми и передача импульсов между этими клетками усиливается.
Из-за того, что мозг млекопитающих состоит из десятков миллионов нейронов, отследить связи между отдельными клетками оказывается довольно сложно. В связи с этим чаще всего синаптическую пластичность изучают на упрощенных биологических моделях — например, культурах нервных клеток, выращенных в чашках Петри. Однако работа нейронной сети целого мозга намного сложнее: на клетки влияют различные биологически активные вещества, постоянно присутствующие в мозге, такие как дофамин и серотонин, а также случайные сигналы от соседних клеток. Чтобы учесть все эти воздействия, исследователи разрабатывают методы исследования синаптической пластичности непосредственно в головном мозге животных.
Чтобы исследовать пластические свойства нейронов, исследователи активировали клетку через подведенное к ней оптоволокно в тот момент, когда предъявлялась менее предпочтительная картинка. Оказалось, что, когда мышь просмотрела сто картинок, вызывавших изначально слабую активацию нейронов, но сочетавшихся со стимуляцией через оптоволокно, клетки перестраивались и начинали «считать» эти изображения предпочтительными.[4]
Российские ученые создали технологию клеточной томографии, которая ускорит процесс выявления болезней
Технологию клеточной томографии предложил коллектив исследователей из НИТУ МИСИС, МГУ имени М.В. Ломоносова и ВНИИОФИ. Она позволит преодолеть ограниченность методов фазовой и абсорбционной микроскопии, которые анализируют лишь единичную клетку правильной формы. В будущем с помощью локального томографа планируется изучение субклеточных структур и цитоплазмы при функционировании нейрона, что приблизит ученых к пониманию того, как работает человеческий мозг, сообщили 9 марта 2023 года Zdrav.Expert представители НИТУ МИСиС. Подробнее здесь.
Впервые созданы зрелые нейроны из стволовых клеток
12 января 2023 года американские исследователи из Северо-Западного университета (штат Иллинойс) сообщили о получении первых высокозрелых нейронов из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Это открывает новые возможности по терапии нейродегенеративных заболеваний.
В ходе предыдущих работ учёные уже дифференцировали стволовые клетки в нейроны, но они были функционально незрелыми и напоминали нейроны на ранних стадиях развития. Ограниченное созревание, которое обеспечивают современные методы культивирования стволовых клеток, снижает потенциал для исследований в области нейродегенерации. Решение проблемы предложили специалисты Северо-Западного университета.
Команда сначала дифференцировала ИПСК человека в моторные и кортикальные нейроны, а затем поместила их на покрытия из синтетических нановолокон, содержащих быстро движущиеся «танцующие» молекулы. Предложенная технология решает сразу несколько важных задач. Она позволяет получать более зрелые нейроны, которые демонстрируют улучшенную электрическую активность. Кроме того, такие нейроны более расположены к установлению синаптических связей. Вдобавок они меньше слипаются по сравнению с типичными нейронами, происходящими от стволовых клеток.
Зрелые нейроны, по мнению исследователей, открывают совершенно новые возможности для изучения нейродегенеративных заболеваний, таких как боковой амиотрофический склероз, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера или рассеянный склероз. Кроме того, нейроны могут быть трансплантированы пациентам с травмами спинного мозга.
| | Мы подтвердили, что нейроны, покрытые нашими нановолокнами, достигают большей зрелости по сравнению с другими методами. Зрелые нейроны способны лучше устанавливать синаптические связи, которые имеют основополагающее значение для их функционирования, — отметил профессор Сэмюэль И. Ступп (Samuel I. Stupp), соавтор исследования. [5] | |
Примечания
- ↑ Researchers `bioprint` living brain cell networks in the lab
- ↑ Artificial Neuron Uses Ions Like the Real Thing
- ↑ В России предложили эффективный способ выращивания клеток головного мозга
- ↑ Специалисты впервые "перепрограммировали" одиночный нейрон в мозге
- ↑ Mature ‘lab grown’ neurons hold promise for neurodegenerative disease
