Исследователи из Германии обнаружили механизм настройки работы нейронов через кровоток. На препарате головного мозга крысы им удалось продемонстрировать прямую модуляцию возбудимости центральных нейронов обонятельной системы с помощью сердечно-сосудистых пульсаций.
Зависимость между активностью нейронов и локальным увеличением кровотока в определенных отделах головного мозга давно помогает изучать его функции при помощи таких методов, как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) или оптическая томография (fNIRS). Различные режимы электрических колебаний нейронов считаются фундаментальным паттерном, позволяющем судить об особенностях обработки информации мозгом.
Однако предполагается, что нейронные колебания также могут модулироваться за счет интероцепции ритмов тела (дыхания или сердцебиения), то есть восприятия отдельными структурами тела его внутренних сигналов и информировании мозга о состоянии тела. Интероцепция играет важную, но до сих пор не до конца изученную роль в обеспечении ритмической сенсорной обратной связи при физической активности, которая, в свою очередь, модулирует активность нейронов.
На основе гипотезы о том, что определенные нейроны мозга могут обладать способностью к прямой интероцепции пульсаций сосудов, вызванных сердцебиением, нейробиологи из Германии построили следующий эксперимент. Они сделали полуинтактный препарат обонятельной системы крысы, в котором нет ни сердца, ни легких, ни других областей, а сосуды обонятельной системы наполнены насыщенной кислородом искусственной кровью с помощью перистальтического насоса. Насос генерирует пульсации давления в сосудистой системе головного мозга, которые, соответствуют физиологическому диапазону пульсаций внутричерепного и церебрального сосудистого давления, вызванных сердцебиением in vivo.
Авторы работы показали, что за механическими пульсациями, создаваемыми насосом, точно следовали локальные колебания электрического поля, исходящие от митральных клеток (mitral cells) – основных нейронов обонятельной луковицы. Пульсации давали стимул механочувствительными ионными каналами в этих клетках, их потенциал и, соответственно, импульсная активность митральных клеток менялась в зависимости от изменения давления вокруг клетки. Выявленное васкуло-нейрональное взаимодействие отличается значительно более быстрым течением своего действия на возбудимость и активацию митральных клеток, эффекторностью (локальные пульсации давления, нетонический кровоток) и возбуждающей природой.
Таким образом, исследователи впервые обнаружили сосудистую пульсацию нейронов в интактной ткани головного мозга и раскрыли до сих пор неизвестный механизм прямого обнаружения сердечно-сосудистой активности мозгом.
Отвечая на вопрос, может ли этот путь позволить мозгу чувствовать сердцебиение in vivo, исследователи сообщают об обнаружении у бодрствующих мышей модуляции импульсной активности нейронов за счет сердцебиения. Причем около 15% нейронов обонятельной луковицы вовлекаются в этот ритм, в основном в течение 20 мс. Этот эффект был значительно слабее известной связи активности нейронов с ритмом дыхания, что объясняет, почему он не наблюдался до сих пор.
Аналогичные модуляции активности нейронов, вызванные сердцебиением, авторы также наблюдали в гиппокампе и префронтальной коре.
Работа опубликована в журнале Science.
Текст: Анна Удоратина