Мозг постоянно сканирует окружающий мир, как GPS, даже когда мы этого не осознаем. Это происходит благодаря крошечным электрическим импульсам, которые передаются между нейронами — особыми клетками, отвечающими за мышление, движение, память и эмоции. Эти сигналы часто подчиняются ритмическим паттернам, так называемым мозговым волнам: медленным тета-волнам и быстрым гамма-волнам. Они помогают упорядочивать обработку информации.

Чтобы понять, как работает навигация в реальном времени и какие сбои происходят при болезнях, важно разобраться, как отдельные нейроны реагируют на эти ритмы.

Новое исследование Университета Флориды и ученых из Нидерландов показало удивительную способность нейронов гиппокампа — области мозга, отвечающей за память и ориентацию в пространстве. Оказалось, что одна и та же клетка может переключаться между одиночными импульсами и быстрыми сериями сигналов в зависимости от внутренних настроек и общей электрической активности мозга. Ученые назвали это явление «переплетенным резонансом».

Гиппокамп — это область мозга, похожая на морского конька (отсюда название). Она отвечает за формирование воспоминаний, ориентацию в пространстве и эмоции. Если гиппокамп поврежден, человек может забывать новые события или теряться в знакомом месте.

Результаты опубликованы в издании PLOS Computational Biology.

Раньше считалось, что нейроны работают в одном режиме: либо одиночные импульсы, либо пачки. Но теперь ясно, что они могут кодировать информацию сразу в двух ритмах — как радио, которое ловит несколько частот одновременно. Это открытие помогает понять, как мозг организует воспоминания, навигацию и даже поведение. А еще — почему при эпилепсии, болезни Альцгеймера и шизофрении эти процессы нарушаются.

Как это работает

• Нейроны гиппокампа реагируют и на медленные тета-волны (связанные с перемещением в пространстве), и на быстрые гамма-волны (отвечающие за внимание и детали).
• Внутри клетки есть «настройки» — уровни ионных токов, которые определяют, в каком режиме она будет работать.
• Если нейрон долго молчал, он с большей вероятностью выдаст серию импульсов, а не одиночный сигнал.

Раньше мы думали, что нейрон — это как клавиша пианино: нажал один раз — получил ноту, — говорит Родриго Пенья, ведущий автор исследования. — Но оказалось, это целый синтезатор, который может играть аккордами и соло одновременно.

Это открытие не только меняет представление о работе мозга, но и дает новые идеи для лечения болезней. Если нейроны теряют гибкость и не могут переключаться между режимами, страдает память и ориентация. Возможно, в будущем получится «настроить» их работу с помощью лекарств или стимуляции.

Реальная выгода:

• Нейропротезирование — если понять, как нейроны кодируют информацию в разных режимах, можно создать более точные импланты для восстановления памяти.
• Диагностика болезней — у пациентов с Альцгеймером или эпилепсией можно искать специфические сбои в переключении между импульсами и пачками.
• ИИ — алгоритмы машинного обучения могут стать эффективнее, если скопировать этот принцип «двойного кодирования».

Исследование проводилось на компьютерных моделях и в лабораторных условиях. Пока неясно, насколько точно эти процессы воспроизводятся в живом мозге при реальном поведении. Кроме того, авторы сосредоточились только на одном типе нейронов — CA1-пирамидальных. Другие клетки могут работать иначе.

Ранее ученые нашли в мигрирующих нейронах конус роста.