«Нейроны-зомби» подсказали ученым, как происходит обучение мозга

Исследование, ставшее важной ступенью в изучении способа, которым происходит обучение мозга на основе поступающих внешних сигналов, провели ученые Центра неизведанного Шампалимо. 2 апреля об этом сообщил сайт новостей науки EurekAlert со ссылкой на пресс-службу центра.

Мозжечок, расположенный в затылочной части головы, является важной структурой мозга, отвечающей за то, как мы обучаемся согласовывать свои действия с полученным прошлым опытом. Однако точные пути, по которым идет такое обучение, науке всё еще не известны.

Определенную ясность в этот вопрос вносит новое исследование, выполненное командой Центра неизведанного Шампалимо, благодаря сделанному учеными открытию так называемых «нейронов-зомби». Хотя эти нейроны на самом деле живы, но их измененные функции помогли исследователям лучше разобраться с обучающими сигналами мозжечка.

«Мозжечок» в переводе с латинского «маленький мозг», но при этом в нем содержится более половины нейронов головного мозга. Он служит у человека для координации движений и сохранения равновесия. Чтобы добиться этого, этот «маленький мозг» должен связывать сенсорные сигналы с конкретными действиями, то есть обучаться.

Когда человек поднимает чашку и не расплескивает ее содержимое, бессознательно регулируя приложенную силу в зависимости от предполагаемого веса емкости и ее наполненности, он использует способность мозжечка связывать зрительные сигналы с соответствующим опытом таких движений.

С такими целями мозжечок с помощью наших чувств (нервных сигналов) постоянно отслеживает ситуацию во внешнем мире и результаты разнообразных движений нашего тела внутри него. При совершении ошибки информация о ней может быть использована для усиления мозговых связей, что со временем должно привести к изменениям наших поведенческих реакций на определенные сигналы.

Алгоритм действия мозжечка понятен, но вот как такие «ошибки» (обучающие сигналы) записываются в мозгу и вызывают изменения в поведении — точно неизвестно.

Последнее исследование лаборатории Меган Р. Кэри Центра неизведанного Шампалимо, представленное в статье «Восходящие волокна обеспечивают важные обучающие сигналы для ассоциативного обучения», которую опубликовал журнал Nature Neuroscience, доказывает, что ассоциативное обучение определяет активность в определенном классе входных сигналов мозжечка, называемых восходящими волокнами (ряд отростков нейронов нижнего оливного ядра продолговатого мозга).

Для изучения роли в обучении восходящих волокон и их мишеней — клеток Пуркинье мозжечка (тормозных нейронов), исследователи поставили эксперимент на мышах. Они использовали общую обучающую задачу, известную как формирование рефлекса моргания.

В этой задаче мышь обучают моргать в ответ на определенный сигнал, например свет, который предшествует некоторому событию, обычно это легкий поток воздуха, направленный в ее глаз. Затем животные демонстрируют ассоциативное обучение — учатся связывать сенсорный сигнал (в данном примере свет) с адаптивной двигательной реакцией (в данном случае морганием).

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

Далее она сказала: «Восходящие волокна обычно реагируют на сенсорные стимулы, например, дуновение воздуха в глаз. Точно активируя именно эти волокна с помощью оптогенетики, мы смогли обмануть мышь, заставив ее считать, что она почувствовала дуновение воздуха, хотя на самом деле этого не было. После того как мы последовательно стимулировали восходящие волокна во время предъявления визуального сигнала, мыши научились моргать в ответ на этот сигнал даже в отсутствие стимуляции. Это доказало, что этих волокон достаточно для стимулирования такого типа ассоциативного обучения».

Исследователи также смогли доказать, что восходящие волокна необходимы для ассоциативного обучения. «Когда мы использовали оптогенетику, чтобы избирательно заглушить восходящие волокна во время подачи настоящего воздушного потока, — рассказала Сильва, — мыши совершенно не смогли научиться моргать в ответ на визуальный сигнал».

Команда лаборатории Кэри похожим образом манипулировала рядом других типов клеток мозга в мозжечке, но убедилась, что все они не могут обеспечить сигналы, необходимые для обучения.

Дополнительное исследование полученных в экспериментах данных позволило выявить неожиданный момент. Для манипулирования активностью восходящих волокон с помощью оптогенетики, ученые применили генетические инструменты для экспрессии в этих нейронах светочувствительного белка каналородопсина-2 (ChR2).

При этом они обнаружили, что попытки обучить мышей, экспрессирующих ChR2, традиционным методом воздушного потока, животные совершенно провалились. После систематических записей нейронной активности мозжечка этих мышей они, по словам Кэри выяснили, «что введение ChR2 в восходящие волокна изменило их естественные свойства, не позволяя им адекватно реагировать на стандартные сенсорные стимулы, такие как дуновения воздуха. Это, в свою очередь, полностью блокировало способность животных к обучению».

«Примечательно, — отметила Сильва, — что те же самые мыши прекрасно обучались, когда мы сочетали стимуляцию восходящих волокон вместо подачи воздуха с визуальным сигналом».

Таким образом, случайно, команда достигла давней цели нейробиологии: модулировать определенные модели активности внутри конкретных нейронов, не отключая полностью их связь, что обеспечивает более естественное вмешательство для выяснения их роли в мозге.

Другими словами, хотя восходящие волокна оставались спонтанно активными и в остальном явно выполняли свои функции, но изменение кодирования сенсорных стимулов сделало животных совершенно неспособными к обучению. Поэтому доктор Сильва назвала такие восходящие волокна «нейронами-зомби»: функционально живыми, но взаимодействующими с мозговой цепью не как обычно.

Доктор Меган Кэри, комментируя результаты исследования, заявила: «Эти результаты служат наиболее убедительным на сегодняшний день доказательством того, что сигналы восходящих волокон необходимы для ассоциативного обучения мозжечка».

В дальнейших исследованиях команда намерена выяснить, почему экспрессия ChR2 приводит к «зомбификации» нейронов, а также определить, распространяются ли полученные ими результаты на другие формы обучения мозжечка.