Известно, что обучение способствует созданию новых связей в мозге, особенно возбуждающих синапсов, синапсов, которые повышают вероятность срабатывания потенциала действия в нейронах. Потенциалы действия - это изменения электрического потенциала, которые связаны с прохождением импульсов по мембранам мышечных или нервных клеток.

Нейробиологические исследования показали, что обучение в конечном итоге приводит к образованию новых дендритных шипов, небольших выступов, возникающих из дендритов нейрона (т.е. сложных, ветвеобразных продолжений клеток). Хотя это открытие широко задокументировано, функции этих новообразованных, связанных с обучением дендритных шипов все еще плохо изучены.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего недавно провели исследование, в котором более подробно изучалось, как обучение влияет на генезис и развитие дендритных шипов. Их результаты, опубликованные в Nature Neuroscience, предполагают, что формирование новых шипов во время обучения на самом деле может быть обусловлено потенцированием некоторых функционально разделенных, ранее существовавших шипов.

"Мы давно знаем, что, когда животное учится, между нейронами в мозге образуются новые связи — или синапсы", — сказал MedicalXpress Натан Г. Хедрик, один из исследователей, проводивших исследование. "Но как нейроны "знают", какие соответствующие соединения должны быть установлены? И как эти изменения происходят без того, чтобы просто "запутать" нейрон, у которого уже есть тысячи таких синапсов?"

Хедрик и его коллеги решили лучше понять, каким образом нейроны в мозге используют синапсы для обучения. Многие прошлые исследования, изучающие отдельные синапсы в мозге живых животных, показали, что нейроны в мозге имеют тенденцию организовывать подобную информацию в "кластеры", которые расположены вдоль их ветвеобразных дендритов.

Эти наблюдения предполагают, что некоторое "активное объединение" информации может происходить на уровне одного нейрона. В своей статье исследователи продолжили исследование этой гипотезы.

"Мы рассудили, что новые синапсы, образующиеся во время обучения, могут следовать правилам кластеризации своих родительских нейронов, но мы также знали, что объяснение того, как осуществляется такая организация, будет очень трудным путем", - объяснил Хедрик. "В дополнение к технической задаче поиска одних и тех же отдельных синапсов в мозге живого, ведущего себя животного в течение многих дней, пока оно учится, понимание того, как произошли эти изменения, потребовало бы объединения нескольких передовых (и сложных) подходов".

В своих экспериментах Хедрик задался целью лучше понять, как нейроны организуют тысячи входных данных, которые они получают из окружающей среды, и как это расположение развивается во время обучения. Это могло бы значительно улучшить наше нынешнее понимание мозга человека и животных.

Чтобы с достаточной степенью уверенности определить функцию новых синапсов, связанных с обучением, исследователям пришлось использовать методы, которые позволяли им визуализировать как отдельные синапсы, так и их активность с течением времени. Кроме того, им требовались методы для определения того, как активность синапсов связана с конкретным усвоенным поведением.

"Мы достигли этого, используя продольную 2-фотонную визуализацию флуоресцентного глутаматного биосенсора iGluSnFR у мышей по мере их обучения", - объяснил Хедрик. "Короче говоря, этот подход позволяет нам видеть флуоресцентные нейроны в мозге бодрствующего животного (мыши) и отслеживать синаптическую активность на основе яркости сигнала iGluSnFR (отражающего увеличение высвобождения глутамата, когда синапсы активны), когда животное ведет себя и учится".

Чтобы понять, как нейроны "ищут" соответствующую информацию во время обучения, Хедрик и его коллеги использовали метод, называемый коррелированной электронной микроскопией (CLEM), для сбора соответствующих клеточных измерений. Они применили этот метод к тем же дендритам, которые ранее отслеживали, пока их образцы мышей обучались.

В конечном счете, этот процесс позволил им получить доступ к информации, которую они не могли получить исключительно на основе данных, собранных с помощью 2-фотонной визуализации. Это включает в себя визуализацию крошечных структур, известных как филоподии, которые по сути являются "попытками" нейронов формировать новые синапсы.

"Этот подход также позволил нам получить доступ к информации о входах в синапсы; другими словами, какие типы соединений они создают", - сказал Хедрик. "С помощью совокупности этих технологий мы показали, что новые синапсы соответствуют функциональной организации синапсов, уже присутствующих в нейроне, посредством игры клеточных проб и ошибок: когда нейрон обнаруживает синхронизированный кластер, он локально выбирает другие близлежащие входные сигналы, пока не найдет тот, который также синхронизирован, и избавляется от него. о любых новых синапсах, которые не соответствуют этим требованиям".

Выводы, собранные этой группой исследователей, могут иметь множество важных последствий. Во-первых, они показывают, что нейроны очень хорошо умеют организовывать свои собственные связи.

В своей статье Хедрик и его коллеги описали новый биологически осуществимый механизм, который мог бы позволить клеткам мозга искать информацию, дополняющую сигналы, которые они уже получают из окружающей среды. Этот механизм может быть важной частью широко задокументированной способности нейронных цепей к скоординированным изменениям в процессе обучения животных и людей.

"Наши результаты еще более невероятны, если учесть, что все события, описанные в этой статье, вероятно, происходят в очень маленькой области одного нейрона, предполагая, что нейроны должны иметь способ отличать события, происходящие в одном месте на их дендритах, от других", - сказал Хедрик. "Это согласуется с моей докторской работой, которая показала очень специфический и пространственно структурированный контроль биохимических факторов, участвующих в индукции структурных изменений в синапсах".

Таким образом, выводы исследователей согласуются с предыдущими гипотезами относительно молекулярных требований к синаптическому паттерну и обеспечивают более конкретную цель для понимания того, что происходит, когда какой-либо из генов, кодирующих эти паттерны, мутирует. В своих экспериментах Хедрик и его коллеги также смогли идентифицировать аксоны (то есть удлиненные участки нейрона, напоминающие "кабели", по которым проходят импульсы), образующие новые синапсы во время обучения.

"Наша первоначальная гипотеза заключалась в том, что новые синапсы, вероятно, будут соединяться с теми же аксонами, что и некоторые из их соседей, что в основном обеспечит синхронную активность, которую они искали", - сказал Хедрик. "Это была гипотеза, которую было легче всего принять, поскольку было немного трудно представить, что отдельные, но синхронизированные входные данные достаточно многочисленны, чтобы всегда находиться в пределах досягаемости филоподии для данного дендрита".

В то время как Хедрик и его коллеги смогли найти несколько примеров структуры "совместного использования кабелей", которую они предположили в своих данных, они редко наблюдали подобную организацию для новых синапсов. Вместо этого они обнаружили, что аксоны новообразованных синапсов почти никогда не соединялись с чем-либо еще на одном и том же дендрите.

"Это удивительный результат, поскольку он предполагает, что локально синхронизированная активность, проявляемая новыми синапсами, вероятно, соответствует отдельным, но, тем не менее, синхронизированным нейронам, расположенным выше по течению", — сказал Хедрик. "По сути, мы считаем, что новые синапсы действительно связывают отдельные информационные потоки вместе на отдельных дендритах".

Поскольку известно, что функция отдельных нейронов связана с тем, как их синаптическая информация связана друг с другом, результаты, собранные этой группой исследователей, могут проложить путь к лучшему пониманию того, как нейроны оптимизируют свое функциональное поведение во время обучения. В своих следующих работах Хедрик и его коллеги надеются определить области мозга, из которых происходят аксоны, связанные с новыми синапсами. Это пролило бы дополнительный свет на их уникальные функции.

"Например, если эти новые синаптические связи происходят из сенсорной области, в то время как их кластеризованные синхронизированные соседи происходят из областей моторного планирования, это может свидетельствовать о том, что сенсорная информация смешивается с информацией о планах движения для руководства обучением", - добавил Хедрик. "Это один из многих возможных результатов, каждый из которых предоставит важную информацию об основах обработки информации в мозге и о том, как такая обработка может гибко изменяться в обучающемся мозге".

ИСТОЧНИК