Чтоб написать даже маленький кусочек текста, мозг посылает команды рукам и пальцам, чтобы нажать на клавиатуру. Нейрональные клетки с кабельным расширением, такие как аксоны, передают эту информацию в виде электрических импульсов, которые побуждают мышцы двигаться. У сигналов аксонов, скорость может быть до 100 м/с, у миелиновых аксонов вдоль спинного мозга. Долгое время ученые предполагали, что у аксонов проводимости сигнала цифровая: либо это сигнал "1", либо нет вообще сигнала "0".

Изменения скорости распространения

Теперь группа исследователей под руководством Дугласа Баккума и Андреас Хиерлеманн на кафедре BSSE из ETH Zurich в Базеле, Швейцария, представили доказательства того, что там может быть больше аксонов, чем только для цифровой проводимости сигналов. Они смогли непосредственно измерить и показать, что скорость нервных сигналов значительно варьируется в различных сегментах у аксонов, путем размещения сотен электродов вдоль аксона. Кроме того, они измеряли скорость изменения со дня на день, или в течение нескольких часов.

Точный смысл этих изменений скорости и происхождение сигналов нельзя объяснить, поскольку существует слишком мало информации о проводимости аксонов. Это, большей частью, будет следствием крошечных диаметров аксонов. Длина аксона может быть более метра, например, в спинном мозге, но средний диаметр варьируется между 80 нм и несколькими микрометрами. Этот малый диаметр, делает какие либо измерения аксональных потенциалов трудными, и конечно, также оказывает влияние на создание механизмов, которые могут производить большие колебания скорости при сложных задачах.

Неизвестная причина

До сих пор, существовали только гипотезы относительно этих изменений скорости. Временные характеристики проводимости нервов, могут быть частью общих информационных перерабатывающих способностей у групп нейронов или способствовать тому, как нейроны адаптируются к новой информации. У исследовательской группы, есть планы на дальнейшее расследование этих эффектов в сотрудничестве с исследователями других дисциплин и научных организаций, которые имеют дополнительные знания и технологий. Тем не менее, исследователи не ожидают быстрого выяснения скорости колебаний аксонов. Учитывая небольшие размеры аксонов, вероятно, потребуются годы, чтобы собрать неопровержимые доказательства.

До сих пор, детального и длительного изучения сигналов нейронов и их аксонов вряд ли было возможно. В BSSE research group, в течение последних 10 лет, посвятили много времени и усилий, которые были направленны на разработку микроэлектронных чипов высокого разрешения, и устройств объединяющих тысячи микроэлектродов. Теперь уже опубликованы, подробные и точные измерения скорости распространения сигналов аксонов. "Мы надеемся получить новые важные свидетельства с нашей технологией", - говорят они. Другие технологии до сих пор не предоставили достаточно высоких пространственно-временным разрешений, чтобы подробно охарактеризовать проводимости сигналов у аксонов.

Разработка Чипов высокого разрешения

В микроэлектродных массивах, чипы BSSE research group имеют 11'000 электродов очень малой площади (3150 электродов на квадратный миллиметр), способных производить запись или стимулировать нейрональные группы клеток. Данные, 126 произвольно выбираемых электродов могут быть одновременно записаны с помощью специально разработанных on-chip микроэлектронных схем. Нейрональные клетки расположены прямо на вершине схемы блоков на микроэлектронных чипах, которые изготавливаются при помощи промышленных, комплементарных металл-оксид-полупроводниковых (CMOS) технологий. Сигналы, проходящие по аксонам нейронов, могут быть измерены и локализованные с высоким пространственным и временным разрешением, благодаря небольшому диаметру электрода и плотному межэлектродному зазору. Кроме того, электроды могут использоваться для стимулирования одного аксона с целью пробудить потенциалы действий, которые распространяются обратно к соответствующей клетке тела или соме для выявления потенциалов их действия.

Неврологическое сообщество недооценивало потенциал микроэлектродных массивов в течение некоторого времени - говорит профессор Хиерлеманн. С работами, опубликованными сейчас в "Nature Communications," он, надеется на дальнейшее налаживание этих методов. "Эти результаты показывают, что микроэлектродные технологии массива позволяют получить доступ к данным, которые в настоящее время не доступны через другие технологии", - говорит биоинженер.

Нейроны, аксоны и распространения сигнала

Нервные клетки, или нейроны, общаются с другими нейронами через электрические и химические сигналы. Если электрический сигнал внутри клетки тела, недалеко от аксона начального сегмента, достаточно большой, он входит в аксон, и распространяется по всей его длине на высокой скорости. Это достигается путем изменения, в так называемом потенциале покоя мембраны аксона, который обычно имеет устойчивое отрицательное значение. Ион натрия открывает каналы, и из-за концентрации градиента, положительно заряженные ионы натрия из-за пределов аксона путешествуют в аксон. Как следствие, мембранный потенциал отменен в полярностях, пока калиевые каналы открыты и положительно заряженные ионы калия выбрасываются во внешнюю жидкость. Эти краткие изменения мембранного потенциала, так называемый потенциал действия, может быть обнаружен с помощью микроэлектродных чипов массива. Потенциал действия путешествует без затухания к синапсам, от нейрона к нейрону, через перекрестки, где электрический сигнал, преобразуется в химический сигнал: нейротрансмиттеры выходят, диффундируют через небольшие синаптические щели и инициируют электрическую активность в соседних постсинаптических клетках.

После действий потенциального события, оригинальные натрия и калия концентрации ионов снаружи и внутри мембраны аксона связанные с потенциалом покоя, через мембрану восстанавливаются. Общая продолжительность потенциала действия по событию составляет порядка 2 миллисекунд.