Открытие: «нейроны-зомби» проливают свет на то, как обучается мозг

Мозжечок – структура мозга, которая играет ключевую роль в том, как человек обучается тем или иным действиям на основе прошлого опыта. Механизм, благодаря которому происходит данный процесс, до конца не изучен. Исследование команды португальского Фонда Шампалимо (Champalimaud Foundation) вносит ясность в этот вопрос благодаря открытию так называемых «нейронов-зомби».

Слово «мозжечок» означает «маленький мозг», несмотря на то, что в нем находится более половины нейронов головного мозга. Он необходим для координации движений и равновесия, помогая плавно выполнять повседневные задачи, например, идти по людной улице или заниматься спортом. Это также имеет решающее значение для процесса обучения, поскольку позволяет связывать сенсорные сигналы с конкретными действиями.

Каждый раз, когда вы берете чашку, не расплескивая ее содержимое, без особых усилий регулируя силу, которую вы прикладываете в зависимости от веса емкости и ее наполненности, вы испытываете последствия способности мозжечка связывать зрительные сигналы с соответствующими движениями.

«Обучающие сигналы» мозга

Чтобы обучение произошло, мозжечок постоянно отслеживает внешний мир и результаты движений, которые мы совершаем внутри него. Когда мы совершаем ошибку, информация о ней может быть использована для корректировки силы мозговых связей, что со временем приводит к изменениям в наших поведенческих реакциях на определенные сигналы. Однако точно неизвестно, как такие «ошибки» или «обучающие сигналы» приводят к приобретенным изменениям в поведении.

Последние исследования лаборатории Кэри (Carey Lab) Фонда Шампалимо, опубликованные в престижном журнале Nature Neuroscience, предоставляют убедительные доказательства того, что активность в определенном классе входных сигналов мозжечка, называемых «альпинистскими волокнами» (climbing fibers), абсолютно необходима для возникновения ассоциативного обучения.

Чтобы изучить роль этих волокон и их мишеней (клеток Пуркинье мозжечка) в обучении, исследователи провели эксперимент с участием мышей. Они использовали общую обучающую задачу, известную как «кондиционирование моргания». В этой задаче мышь учится моргать в ответ на определенный сигнал, например свет, предшествующий событию. Обычно это легкий поток воздуха, направленный в ее глаз. Затем животные демонстрируют ассоциативное обучение, учатся связывать сенсорный сигнал с адаптивной реакцией движения, в данном случае морганием.

«В нашем эксперименте, — объясняет доктор Татьяна Сильва (Tatiana Silva), первый автор исследования, — мы использовали метод, называемый оптогенетикой. «Альпинистские волокна» обычно реагируют на сенсорные стимулы как на дуновение воздуха в глаз. Точно активируя эти волокна с помощью оптогенетики, мы смогли обмануть мышь, заставив ее думать, что она получила дуновение воздуха, хотя на самом деле это не так. После того как мы последовательно стимулировали эти волокна во время предъявления визуального сигнала, мыши научились моргать в ответ на этот сигнал — даже в отсутствие стимуляции. Это доказало, что таких волокон вполне достаточно для управления этим типом ассоциативного обучения».

Авторы также смогли показать, что «альпинистские волокна» необходимы для ассоциативного обучения. «Когда мы использовали оптогенетику, чтобы выборочно заглушить эти волокна во время настоящего воздушного потока, — рассказывает Сильва, — мыши совершенно не смогли научиться моргать в ответ на визуальный сигнал». Команда лаборатории Кэри аналогичным образом манипулировала рядом других типов клеток мозга в мозжечке, но обнаружила, что ни один из них не был в состоянии обеспечить такие надежные сигналы для обучения.

Появление «нейронов-зомби»

Присмотревшись к некоторым из своих данных, исследователи обнаружили неожиданный поворот. Чтобы манипулировать активностью волокон с помощью оптогенетики, они использовали генетические инструменты для экспрессии в этих нейронах светочувствительного белка под названием Channelrhodopsin-2 (ChR2).

Удивительно, но ученые обнаружили, что когда они попытались обучить мышей, экспрессирующих ChR2 традиционным методом воздушной затяжки, животные совершенно не смогли обучиться. Оказалось, что введение ChR2 в «альпинистские волокна» изменило их естественные свойства, не позволяя адекватно реагировать на стандартные сенсорные стимулы, такие как воздушные потоки. Это, в свою очередь, привело к изменению их естественных свойств, полностью заблокировав способность животных к обучению.

О Фонде Шампалимо

Фонд Шампалимо (португальский: Fundação Champalimaud) — частный фонд биомедицинских исследований. Он был создан по завещанию покойного предпринимателя Антонио де Соммер Шампалимо в 2004 году. Полное название фонда дано в честь матери и отца основателя: Fundação Anna de Sommer Champalimaud e Dr. Carlos Montez Champalimaud. Фонд расположен в Лиссабоне, Португалия.

Миссия Фонда состоит в том, чтобы «разрабатывать программы передовых биомедицинских исследований и предоставлять высококачественную клиническую помощь, уделяя особое внимание преобразованию новаторских научных открытий в решения, которые могут улучшить качество жизни людей во всем мире». Фонд проводит исследования в области нейробиологии и онкологии в модернистском Центре в Лиссабоне, открытом в 2011 году. Исследования нарушений зрения проводятся в рамках информационно-пропагандистской программы.

Клинический центр Шампалимо – современное научное, медицинское и технологическое учреждение, оказывающее специализированное клиническое лечение онкологических заболеваний. Центр разрабатывает передовые программы исследования заболеваний. Центр также пытается адаптировать методы лечения для достижения большей эффективности в контроле и лечении заболеваний. Его спроектировал индийский архитектор Чарльз Корреа.

Источник: https://medicalxpress.com/

Источник: https://www.fchampalimaud.org/

3.04.2024