Мозжечок, представляет собой структуру головного мозга, которая играет ключевую роль в том, как мы учимся, адаптируя наши действия на основе прошлого опыта. Тем не менее, точные способы, которыми происходит это обучение, все еще определяются.
Исследование, вносит новую ясность в эту дискуссию, благодаря счастливому открытию так называемых «нейронов-зомби». Эти нейроны, живые, но функционально измененные, помогли ученым лучше понять важные обучающие сигналы мозжечка.
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 вам 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 наших ошибках 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» представляются в мозгу и приводят к приобретенным изменениям в поведении.
Последние исследования, опубликованные в журнале Nature Neuroscience, предоставляют убедительные доказательства того, что активность в определенном классе входных сигналов мозжечка, называемых лазающими волокнами, абсолютно необходима ассоциативного обучения.
Чтобы изучить роль лазающих волокон в обучении, исследователи разработали 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, который предшествует событию, обычно легкий поток воздуха, направленный в ее глаз. Затем животные демонстрируют ассоциативное обучение, учатся связывать сенсорный сигнал с адаптивной реакцией движения, в данном случае морганием.
«Лазающие 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 лазающие 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 управления этим типом ассоциативного обучения», – комментирует автор исследования Татьяна Сильва (Tatiana Silva).
Авторы смогли показать, что лазающие волокна также необходимы для ассоциативного обучения.
«Когда мы использовали оптогенетику, чтобы выборочно заглушить лазающие волокна во время настоящего воздушного потока, мыши совершенно не смогли научиться моргать в ответ на визуальный сигнал», — объясняет Сильва.
Команда Кэри аналогичным образом манипулировала рядом других типов клеток мозга в мозжечке, но обнаружила, что ни одна из них не была в состоянии обеспечить такие надежные обучающие сигналы для обучения.
Появление «нейронов-зомби»
Присмотревшись к некоторым из своих данных, исследователи обнаружили неожиданный поворот. Чтобы манипулировать активностью лазающих волокна 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 попытались обучить мышей, экспрессирующих ChR2, традиционным методом воздушной затяжки, животные совершенно не смогли научиться.
«Оказалось, что введение ChR2 в лазающие волокна изменило их естественные свойства, не позволяя им адекватно реагировать на стандартные сенсорные стимулы, такие как воздушные потоки. Это, в свою очередь, привело к изменению их естественных свойств. , полностью заблокировал способность животных к обучению». «Примечательно, — добавляет Сильва, — что те же самые мыши прекрасно обучались, когда мы сочетали стимуляцию карабкающихся волокон вместо подачи воздуха с визуальным сигналом».
Непреднамеренно команда достигла давней цели в нейробиологии: модулировать определенные модели активности внутри конкретных нейронов, не отключая полностью их связь, что привело к более естественному вмешательству для выяснения их причинной роли.
Другими словами, хотя лазающие волокна оставались спонтанно активными и в остальном явно функциональными, их измененное кодирование сенсорных стимулов сделало животных совершенно неспособными выучить задачу. Это побудило Сильву назвать их «нейронами-зомби»: функционально живыми, но не взаимодействующими с мозговой цепью, как обычно.
Из-за тонкости неожиданных эффектов экспрессии ChR2 в лазающих волокнах доктор Меган Кэри (Megan Carey) заключает: «Эти результаты служат наиболее убедительным на сегодняшний день доказательством того, что сигналы лазающих волокон необходимы для ассоциативного обучения мозжечка. Наши следующие шаги включают понимание того, почему ChR2 экспрессия приводит к «зомбификации» нейронов и определяет, распространяются ли наши результаты на другие формы обучения мозжечка».
Литература:
Neural instructive signals for associative cerebellar learning, Nature Neuroscience (2024). DOI: 10.1038/s41593-024-01594-7
Невролог, мануальный терапевт, рефлексотерапевт АО «СЗЦДМ» (г. Санкт-Петербург), редактор и автор статей
Ведёт пациентов неврологического профиля с полным неврологическим осмотром, разработкой плана обследования и схемы лечения пациента (в остром периоде, на этапе реабилитации), динамическое наблюдение.
