Классические представления об организации головного мозга сосредоточены на синаптических связях между мириадами нейронов нервной системы. Биоэлектрические токи, проходящие по отросткам нервных клеток, достигают межклеточного синаптического контакта, где, посредством нейротрансмиттеров в химическом синапсе или ионных токов (через щелевые контакты) в электрическом синапсе, происходит передача сигнала на следующий нейрон.
Как правило, изменения, порождаемые единичным импульсом, достигшим синапса, невелики и порождают незначительные изменения (постсинаптические токи). Но если частота и амплитуда приходящих импульсов достаточно высока, постсинаптические токи суммируются и порождают возбуждающий потенциал. Процессы в синаптической связи (в зависимости от её природы) могут иметь и обратный (тормозный) характер и подавлять токи на постсинаптической мембране. В каждом нейроне отдельные входящие синаптические изменения суммируются по знаку и силе, и, если эта сумма превышает некое пороговое значение, развивается потенциал действия и новый нервный импульс идет дальше по нервной сети. Таким образом, каждый отдельный синапс представляет собой элементарную интегральную единицу нервной системы.
Понятно, что мириады этих локальных интеграционных процессов происходят не в вакууме, а во внеклеточной среде, прекрасно проводящей электричество. Поэтому биоэлектрические токи в нейронах (будь то постсинаптический потенциал небольшой амплитуды или высокоамплитудный потенциал действия в аксоне) вызывают изменения электрического потенциала (Ve) вне клетки. Эти изменения Ve затухают по мере удаления от источника тока. В любой заданной точке Ve является суммой (суперпозицией) изменений Ve, вызванных всеми локальными электрохимическими процессами.
Хотя внеклеточная активность отдельных нейронов имеет небольшую и пространственно ограниченную амплитуду, далекие «отголоски» этих процессов могут быть зарегистрированы даже за пределами черепа электроэнцефалографией (ЭЭГ).
Поскольку Ve имеет разное значение в разных участках мозга, возникает электрическое поле (пространственный градиент Ve). Такие электрические поля вызывают, в свою очередь, изменения мембранного потенциала Vm. В этом и заключается механизм эфаптической передачи, не зависящей от работы синапсов.
Однако влияние этих локальных или суммарных колебаний электрического поля всегда считались неким «побочным» продуктом биоэлектрической деятельности нервной системы. Мы можем регистрировать их и, с определенными оговорками, судить о работе мозга, но для нормальной его деятельности, как считалось, они, вряд ли, имеют значение. Во-первых, существует «миелиновая изоляция». Во-вторых, их амплитуда и частота существенно меньше, даже чем у синаптических процессов. Поэтому эфаптические влияния либо не принимались во внимание, либо рассматривилась, как негативное явление (например, при деградации миелиновых оболочек в двигательных нервах, когда влияния электрополя одного аксона на другой нарушало проведение импульса). Кроме того, локальные изменения электрического поля, в силу ряда причин, измерить не удавалось.
И вот международной группе ученых под руководством Кристофа Коха (Christof Koch) из Калифорнийского технологического института в Пасадене (США) с помощью оригинальной методики удалось не только измерить степень воздействия нейронов через электрическое поле друг на друга, но и выяснить его немаловажную функциональную роль в нормальной деятельности мозга. Результаты работы опубликованы недавно онлайн в журнале Nature Neuroscience.
Исследования проводили на пирамидных нейронах коры головного мозга крыс. Для экспериментального удобства использовались поперечные срезы мозга, жизнедеятельность которых поддерживалась особым образом. Оригинальная установка содержала 12 электродов для каждого изучаемого нейрона, которые можно было располагать в срезе независимо друг от друга. Один электрод располагался поблизости от тела нейрона и использовался для его стимуляции, имитируя воздействие внеклеточного электрического поля. Другой электрод внутри тела клетки регистрировал внутриклеточные электрические изменения. Остальные электроды регистрировали изменения электрического поля, порождаемые сначала внешним стимулом, а затем электрическими процессами в клетке.
Чтобы обычная синаптическая активность не влияла на деятельность нейронов, её фармакологически подавляли ингибиторами основных активирующих и тормозных рецепторов (NMDA- и AMPA-глутаминовых, и ГАМК-рецепторов). Влияние электрических синапсов, формируемых щелевыми контактами, также практически исключалось, ввиду их крайней редкости у данных пирамидных нейронов на данном этапе постнатального развития крыс. Таким образом, любые изменения мембранного потенциала нейронов можно было объяснять исключительно влиянием изменений электрического поля, а не синапсов. Кроме того, стимулирующие внеклеточные импульсы были всегда в 25-50 раз слабее импульсов, способных вызвать потенциал действия.
В результате разнообразных экспериментов, ученым удалось выяснить, что колебания напряженности электрического поля (как выяснилось, обычно она составляет менее 0,5 мВ) влияют на изменения мембранного потенциала нейронов, особенно, если напряженность флуктуирует с низкой частотой (около 1 Гц). И хотя изменения мембранного потенциала, вызванные этими процессами, невелики по сравнению с обычными синаптическими процессами, их влияние может оказаться весьма существенным. Например, известно, что суммарный синаптический потенциал складывается из отдельных низкоамплитудных потенциалов, приходящих от разных «входов» (например, нисходящих контактов от других нейронов) на этот синапс. Потенциалы электрического поля могут суммироваться с этими «классическими» синаптическими потенциалами и, т.о., влиять на результирующую активность данного синапса и нейрона в целом.
Более того, ученые установили, что колебания напряженности электрического поля оказывают влияние и на уже сформировавшиеся потенциалы действия. Оказывается, оно существенно влияет на скорость разрядки нейронов и способствует фазовой синхронизации разрядов разных нейронов во времени.
На основании того, что потенциалы электрического поля, порождаемые биоэлектрической деятельностью нейронов, могут распространяться минимум на сотни микрометров, ученые сделали вывод, что эфаптическая связь может участвовать в синхронизации тысяч нейронов, которые в противном случае могли бы вести себя несогласованно. А такая синхронизация, как известно, играет существенную роль в процессах обработки информации в мозге и пластичности нервной системы. Таким образом, эфаптическая межнейронная связь представляет собой ещё один механизм интегративной деятельности нервной системы.
Источник: Anastassiou C.A., Perin R., Markram H., Koch C. Ephaptic coupling of cortical neurons. Nature Neuroscience. 2011, doi:10.1038/nn.2727