Нервные клетки сохраняют новую информацию, изменяя силу взаимодействия друг с другом. Этот постулат нейробиологии исследователи подтвердили, изучив реакцию отдельных нейронов в мозге мыши на движущиеся изображения разнонаправленных полос. Оказалось, что отклик зрительного нейрона на поступающий сигнал можно искусственно изменить на длительное время, воздействуя всего лишь на одну единственную клетку в мозге. Эти данные помогут ученым лучше понять принципы работы мозга, а также процессы запоминания и обучения. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Biochemical and Biophysical Research Communication.
В основе человеческой памяти, способности учиться и изменять свое поведение в зависимости от ситуации лежит синаптическая пластичность, то есть умение нервных клеток изменять силу связей друг с другом. Это свойство заключается в том, что синапс — место контакта между нейронами — может передавать сигнал от одной клетки к другой с разной эффективностью. Так, например, если мы запоминаем какую-либо информацию, связи между нейронами, отвечающими за ее «сохранение», становятся более устойчивыми, и передача импульсов между этими клетками усиливается.
Из-за того, что мозг млекопитающих состоит из десятков миллионов нейронов, отследить связи между отдельными клетками оказывается довольно сложно. В связи с этим чаще всего синаптическую пластичность изучают на упрощенных биологических моделях, например, культурах нервных клеток, выращенных в чашках Петри. Однако работа нейронной сети целого мозга намного сложнее: на клетки влияют различные биологически активные вещества, постоянно присутствующие в мозге, такие как дофамин и серотонин, а также случайные сигналы от соседних клеток. Чтобы учесть все эти воздействия, исследователи разрабатывают методы исследования синаптической пластичности непосредственно в головном мозге животных.
Ученые из Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (Москва) исследовали механизмы синаптической пластичности, используя в качестве модели отдельные нервные клетки в головном мозге мыши. Авторы взяли генетически модифицированных животных, у которых определенные нейроны в мозге были способны вырабатывать канальный родопсин — белок, изначально выделенный из одноклеточных водорослей и активирующий под действием света только те клетки, в которых он содержится. Во время эксперимента к нейрону, синтезирующему канальный родопсин, исследователи подводили очень тонкое оптоволокно, которое позволяло локально освещать только одну клетку и таким образом заставлять ее генерировать электрические импульсы. Ученые стимулировали нейрон светом и одновременно показывали мыши движущиеся изображения вертикальных и горизонтальных полос. Оказалось, что у каждой клетки были свои «предпочтения» к картинкам: на один тип полос они реагировали сильнее, чем на другой.
Чтобы исследовать пластические свойства нейронов, авторы активировали клетку через подведенное к ней оптоволокно в тот момент, когда предъявлялась менее предпочтительная картинка. Оказалось, что, когда мышь просмотрела сто картинок, вызывавших изначально слабую активацию нейронов, но сочетавшихся со стимуляцией через оптоволокно, клетки перестраивались и начинали «считать» эти изображения предпочтительными.
«Мы показали, что, искусственно активируя единичный нейрон, можно изменить его ответ на зрительный стимул. Это доказывает, что нейроны изменяют свои свойства, например, при обучении и создании новых связей между клетками в процессе запоминания информации. В дальнейшем мы собираемся изучить более сложный и менее исследованный вид синаптической пластичности — так называемую гетеросинаптическую пластичность, которая важна для процесса переучивания, когда человеку или животному нужно забыть один навык и вместо него выучить новый», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Малышев, профессор РАН, доктор биологических наук, директор Института высшей нервной деятельности РАН.
Текст: пресс-служба РНФ
Smirnov, I. v., & Malyshev, A. Y. (2023). Paired optogenetic and visual stimulation can change the orientation selectivity of visual cortex neurons. Biochemical and Biophysical Research Communications, 646, 63–69. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2023.01.058
