В мозге обнаружили нейроны-«зомби». Они помогают мозгу учиться

Мозжечок играет ключевую роль в том, как мы учимся, адаптируя наши действия на основе прошлого опыта. Однако как именно происходит это обучение, до сих пор неизвестно. Исследование, проведенное группой специалистов из Фонда Шампалимо, внесло ясность в этот вопрос, обнаружив так называемые «нейроны-зомби». Эти живые, но функционально измененные нейроны помогли углубить понимание важнейших сигналов мозжечка.

Слово «мозжечок» означает «маленький мозг», хотя в нем расположено более половины нейронов мозга. Он необходим для координации движений и сохранения равновесия и помогает выполнять повседневные задачи, например ходить по людной улице или заниматься спортом. Он также играет важную роль в процессе обучения, позволяя ассоциировать сенсорные сигналы с определенными действиями.

Каждый раз, когда вы поднимаете чашку, не расплескав ее содержимое, без труда регулируя силу нажатия в зависимости от веса емкости и степени ее наполненности, вы испытываете способность мозжечка связывать визуальные сигналы с соответствующими двигательными реакциями.

Мозжечок постоянно следит за внешним миром и результатами движений, которые мы совершаем. Когда мы совершаем ошибку, информация о ней может быть использована для корректировки нейронных связей, что со временем приводит к изменениям в наших поведенческих реакциях на определенные сигналы. Однако до сих пор неизвестно, как именно такие «ошибочные» или «обучающие» сигналы передаются в мозг и приводят к изменениям в поведении. Исследование, проведенное в Лаборатории Кэри Фонда Шампалимо, убедительно доказывает, что активность определенного класса мозжечковых структур, называемых лазающими волокнами, абсолютно необходима для ассоциативного обучения.

Чтобы изучить роль лазающих волокон и их мишеней, клеток Пуркинье, в процессе обучения, исследователи разработали и провели эксперимент на мышах. Они использовали учебную задачу, известную как обусловливание моргания. Мышь учится моргать в ответ на определенный сигнал, например свет, который предшествует стимуляции — легкому дуновению воздуха, направленному на ее глаз. Затем животные демонстрируют ассоциативное обучение, обучаясь связывать сенсорный сигнал с адаптивной реакцией движения, в данном случае с морганием.

«В нашем эксперименте, — объясняет доктор Татьяна Сильва, автор исследования, — мы использовали технику, называемую оптогенетикой. Этот метод работает как высокоточный пульт дистанционного управления клетками мозга, используя свет для включения или выключения определенных клеток в определенное время».

По словам Сильва, эти волокна обычно реагируют на сенсорные стимулы, как дуновение воздуха в глаз. Активировав их с помощью оптогенетики, ученые смогли «обмануть» мышь. «После того, как мы последовательно стимулировали волокна во время визуального сигнала, мыши научились моргать в ответ на этот сигнал, даже при отсутствии стимуляции, — добавила она. — Это доказало, что этих волокон достаточно для ассоциативного обучения».

Кроме того, авторам удалось показать, что лазающие волокна также необходимы для ассоциативного обучения. «Когда мы использовали оптогенетику, чтобы селективно заставить замолчать лазающие волокна во время подачи воздушного потока, мыши совершенно не научились моргать в ответ на визуальную подсказку», — рассказывает Сильва. Команда исследователей аналогичным образом манипулировала рядом других типов клеток мозга в мозжечке, но обнаружила, что ни один из них не может обеспечить такие надежные обучающие сигналы для обучения.

Для того, чтобы манипулировать активностью лазающих волокон с помощью оптогенетики, ученые использовали генетические инструменты для экспрессии светочувствительного белка под названием Channelrhodopsin-2 (ChR2) в этих нейронах. Удивительно, но они обнаружили, что, когда они попытались обучить мышей, экспрессирующих ChR2, с помощью традиционного метода, животные не смогли научиться.

«Оказалось, что введение ChR2 в лазающие волокна изменяет их естественные свойства, не позволяя им адекватно реагировать на стандартные сенсорные стимулы, такие как направленный поток воздуха. Это, в свою очередь, полностью блокировало способность животных к обучению, — говорит Сильва, — Примечательно, что те же самые мыши успешно обучались, когда мы сочетали стимуляцию лазающих волокон вместо воздушного потока с визуальным сигналом».

Таким образом, команда достигла давней цели: модулировать паттерны активности в определенных нейронах, не отключая их коммуникацию полностью, что привело к более естественному вмешательству для выяснения их причинно-следственной роли. Другими словами, несмотря на то, что лазающие волокна оставались активными и функционировали, измененное кодирование их сенсорных стимулов делало животных совершенно неспособными к обучению. Это привело к тому, что Сильва окрестила их «зомби-нейронами»: функционально живыми, но не взаимодействующими с мозговой цепью, как обычно.

«На сегодняшний день эти результаты служат наиболее убедительным доказательством, что сигналы лазающих волокон необходимы для ассоциативного обучения мозжечка. Нашим следующим шагом должно стать понимание того, почему экспрессия ChR2 приводит к «зомбированию» нейронов, и определение того, распространяются ли наши результаты на другие формы обучения мозжечка», — говорит доктор Меган Кэри.

Ранее исследование команды ученых из Центра здоровья мозга Тихоокеанского института нейробиологии (PBHC) в Центре здоровья Сент-Джона в Провиденсе и Вашингтонского университета в Сент-Луисе обнаружило связь между сохранением физической активности и увеличением размеров частей мозга, отвечающих за память и способность к обучению. Более того, по мнению экспертов, упражнения не должны быть слишком интенсивными и продолжительными, чтобы оказывать эффект на мозговую деятельность.