Исследователи выявили два способа, с помощью которых астроциты напрямую влияют на моторное обучение. Результаты научной работы опубликованы в журнале Journal of Neuroscience.
От управления автомобилем до размахивания теннисной ракеткой мы учимся выполнять все виды искусных движений в течение жизни. Вы можете подумать, что это обучение осуществляется только нейронами, но новое исследование, проведенное учеными из Института обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте (Picower Institute for Learning and Memory at MIT) показывает важную роль другого типа клеток мозга: астроцитов.
Исследование показывает, что так же, как команды профессиональных спортсменов тренируются вместе с штатом тренеров, множество нейронов в моторной коре головного мозга зависят от близлежащих астроцитов, которые помогают им научиться кодировать, когда и как двигаться, а также оптимальное время для этого и траекторию движения.
Описывая серию экспериментов на мышах, новая статья в научном журнале Journal of Neuroscience раскрывает два способа, с помощью которых астроциты напрямую влияют на двигательное обучение, поддерживая оптимальный молекулярный баланс, при котором множество нейронов могут должным образом улучшать двигательную активность.
«Это открытие является частью работы нашей лаборатории и других лабораторий, которые повышают важность астроцитов для кодирования нейронов и, следовательно, поведения», — сказал старший автор исследования Мриганка Сур (Mriganka Sur), профессор нейробиологии в Институте Пикауэера и отделения мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института. «Это показывает, что, хотя популяционное кодирование поведения является функцией нейронов, нам необходимо включить астроциты в качестве их партнеров».
«Это исследование подчеркивает сложность астроцитов и важность взаимодействий астроцитов и нейронов в тонкой настройке функций мозга, предоставляя конкретные доказательства этих механизмов в моторной коре», — сказал соавтор исследования Кло Делепин (Chloe Delepine).
Игра с моторикой
Команда ученых дала своим мышам простую двигательную задачу, которую они должны были освоить. По сигналу мыши должны были дотянуться до рычага и нажать его в течение пяти секунд. Грызуны показали, что они могут изучить задачу за несколько дней и справиться с ней за пару недель. Они не только точнее выполнили задание, но и ускорились их реакции, а траектория их дотягивания и толкания стала более плавной и равномерной.
Однако у некоторых мышей команда ученых использовала точные молекулярные вмешательства, чтобы нарушить две специфические функции астроцитов в моторной коре. У некоторых мышей они нарушили способность астроцитов поглощать нейротрансмиттер глутамат, химическое вещество, которое возбуждает нервную активность, когда оно поступает в соединения, называемые синапсами.
У других мышей они гиперактивировали кальциевые сигналы астроцитов, что повлияло на их функционирование. В обоих случаях вмешательства нарушили нормальный процесс, посредством которого нейроны формируют или изменяют свои связи друг с другом, процесс, называемый «пластичностью», который позволяет обучаться.
Каждое вмешательство влияло на производительность мышей. Первый (нокдаун транспортера глутамата GLT1) не влиял на то, нажимали ли мыши рычаг или как быстро они это делали. Вместо этого это нарушило плавность движения.
Мыши с нарушенным GLT1 оставались неустойчивыми и шаткими, как будто не могли усовершенствовать свою технику. Мыши, подвергшиеся второму вмешательству (активация передачи сигналов Gq), демонстрировали дефицит не только плавности траектории движения, но и понимания того, когда нажимать на рычаг, и их быстроты при этом.
Исследователи глубже изучили, как возникли эти недостатки. С помощью двухфотонного микроскопа они отслеживали нейронную активность в моторной коре у неизмененных мышей и мышей, получавших каждое вмешательство. По сравнению с тем, что они видели у нормальных мышей, мыши с нарушенным GLT1 показали менее коррелированную активность среди нейронов. Мыши с активацией Gq показали чрезмерную коррелированную активность по сравнению с нормальными мышами.
«Данные свидетельствуют о том, что для появления функционального множества нейронов, которые управляют выполнением задачи, необходим оптимальный уровень корреляции нейронов», — пишут авторы исследования. «Значимые корреляции, которые несут информацию, — это то, что управляет моторным обучением, а не абсолютная величина потенциально неспецифических корреляций».
Ученые копнули еще глубже. Они тщательно изолировали астроциты из моторной коры мышей, в том числе тех, кто не был обучен двигательным задачам, а также тех, кто был обучен, включая мышей, которые не были изменены, и мышей, подвергшихся каждому вмешательству. Затем во всех этих образцах очищенных астроцитов они секвенировали РНК, чтобы оценить, насколько они различаются по экспрессии генов.
Они обнаружили, что у тренированных мышей по сравнению с нетренированными астроциты демонстрировали большую экспрессию генов, связанных с GLT 1. У мышей, которым проводилось вмешательство, они наблюдали пониженное выражение лица. Эти данные также свидетельствуют о том, что процесс переноса глутамата действительно имеет фундаментальное значение для обучения выполнению двигательных задач.
«Здесь мы показываем, что астроциты играют важную роль в том, чтобы позволить нейронам правильно кодировать информацию, например, как в процессе обучения, так и в выполнении движений», — заключают авторы исследования.
Авторы другого исследования выявили связующее звено между астроцитами и нейронами.
