Обнаружилось, что мозгу не нужен опыт, чтобы развиваться и формировать функциональные нейронные связи

В исследовании, которое может революционизировать понимание развития мозга, исследователи из Гарвардского университета обнаружили, что сложные нейронные схемы, ответственные за определенное поведение у рыбок данио, могут формироваться без необходимости сенсорного опыта, предполагая, что одного лишь генетического программирования достаточно для установления функциональных нейронных связей.

Исторически нейробиология опиралась на идею о том, что генетические механизмы закладывают основу сети мозга, а функциональные связи оттачиваются посредством сенсорного опыта и взаимодействия с окружающей средой. Результативные эксперименты с кошками и приматами, в которых манипулировали сенсорными данными, подтвердили эту точку зрения и показали, как такие входные данные влияют на развитие мозга. Кроме того, вычислительные модели показали, как нейронные сети могут обучаться и адаптироваться, что еще больше подчеркивает роль опыта в развитии мозга.

Однако эти модели и эксперименты не дали окончательного ответа на вопрос, важен ли сенсорный опыт во время развития для возникновения сложного поведения или в какой степени проводка мозга предопределена генетикой. Недавние наблюдения за спонтанной активностью нейронов на ранних этапах развития мозга подчеркнули ее потенциальную роль в формировании нейронных цепей до того, как в игру вступят сенсорные сигналы, что позволяет предположить более тонкое взаимодействие между генетическим программированием и сенсорным опытом в развитии мозга.

«Я начал свою докторскую диссертацию, сосредоточившись на, казалось бы, простом теоретическом вопросе: какие процессы лежат в основе организации связей в мозгу и насколько точными могут быть эти влияния в создании надежных, воспроизводимых нейронных связей, лежащих в основе врожденного поведения», — объяснил автор исследования Даниэль Барабаши , научный сотрудник Гарвардского университета.

«Наши расчеты привели к удивительному предсказанию: информации о развитии нейронов достаточно, чтобы определить связи и вес каждого нейрона, даже в человеческом мозге. Чтобы проверить это поразительное утверждение, я стремился показать, что нейронные схемы, лежащие в основе сложного, хорошо изученного поведения рыбок данио, могут возникать без какого-либо обучения».

Рыбки данио широко используются в научных исследованиях из-за их прозрачных эмбрионов, быстрого развития и генетического сходства с людьми (имеющих примерно 70% одинаковых генов), что делает их идеальной моделью для изучения биологии развития, генетики и нейробиологии. Их уникальные характеристики позволяют исследователям наблюдать процессы развития в режиме реального времени и манипулировать генами, чтобы изучить их влияние на рост, поведение и болезни.

В своем новом исследовании Барабаши и его коллеги применили новый метод, используя блокатор натриевых каналов под названием трикаин для фармакологического подавления всей нейронной активности в критический период развития мозга у личинок рыбок данио. Этот подход позволил команде исследовать, могут ли сложное поведение и поддерживающая его нейронная схема развиваться в отсутствие какой-либо нейронной активности.

Удивительно, но даже после четырехдневного периода полного нейронного бездействия рыбки данио были способны к сложному зрительно-моторному поведению, которое наблюдается у нормально выращиваемых рыб. Сюда входит оптомоторная реакция (OMR) — поведение, которое требует интеграции визуальной информации с двигательной активностью для координации плавания в ответ на зрительные стимулы.

Примечательно, что после того как блокада нейронной активности была снята, у рыбок данио появились полностью функциональные и соответствующим образом настроенные типы нейрональных клеток, чьи свойства реагирования отражали те, что были обнаружены у рыб, которые развивались в нормальных условиях.

Результаты показывают, что фундаментальная архитектура и функциональность нейронных цепей у рыбок данио могут развиваться независимо от сенсорно-управляемой нейронной активности. То есть одних только генетических и молекулярных механизмов достаточно для установления основных связей и принципов работы мозга, и это открытие значительно отличается от ранее существовавшего убеждения, что сенсорный опыт необходим для созревания функциональных нейронных цепей.

Более того, исследование показало, что поведенческие характеристики рыбок данио с точки зрения их способности выполнять OMR постепенно улучшались после снятия блокады нервной активности, вызванной трикаином, достигая уровней, сравнимых с контрольными рыбами. Это улучшение произошло даже несмотря на то, что первоначальное воздействие зрительных раздражителей на этих рыб произошло уже после развития, что предполагает быструю адаптацию или калибровку их нейронных цепей к стимулам окружающей среды после снятия блокады.

«В извечном вопросе о природе и воспитании мы решительно оказываемся на стороне природы, — сказал Барабаши. — Мы бросаем вызов недавним тенденциям обучения, от ИИ до самосовершенствования, демонстрируя замечательный вклад развития в наши врожденные способности. Это говорит о том, что определенные элементы нашего поведения и личности заложены или являются частью нашего развития, а установка на рост может увеличить возможности этого врожденного потенциала».

Исследователи создали первую функциональную ткань мозга, напечатанную на 3D-принтере, которая может развиваться и формировать связи так же, как и настоящая ткань человека. По словам ученых, многие лаборатории смогут использовать их новый метод, поскольку он не требует специального оборудования для биопечати. Ткань легко поддерживать в здоровом состоянии, и ее можно изучать с помощью микроскопов и другого оборудования.