Каковы клеточные основы того, как работает процесс моторного обучения? В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Neuron, исследовательская группа во главе с доктором Саймоном Ченом из медицинского факультета Оттавы предлагает новое и ценное понимание этой непреходящей загадки нейронауки.
Когда вы впервые учитесь кататься на велосипеде или играть на музыкальном инструменте, ваши физические движения в лучшем случае не скоординированы. Но со временем и большим количеством повторений двигательные нейроны вашего мозга создают своего рода стенографию между разумом и мышцами. Связанные с этим движения со временем становятся настолько укоренившимися, что прыжки на велосипеде или игра на весах кажутся почти автоматическими.
Лаборатория доктора Чена сосредоточена на выяснении того, как воспоминания кодируются и хранятся в мозгу, в частности, с моторным обучением, сложным процессом того, как мы двигаемся и координируем мышцы нашего тела. В этом последнем исследовании исследовательская группа доктора Чена изучила механизмы, участвующие в регулировании процесса приобретения и консолидации моторной памяти во время повторяющихся упражнений.
Доктор Чен, канадский исследователь нейронных сетей и поведения, говорит, что результаты исследования могут помочь восстановить двигательные функции у пациентов, страдающих от болезни Паркинсона, инсульта или черепно-мозговой травмы. Это важно, потому что восстановление общей моторной координации и утраченных движений является очень трудной задачей для этих людей.
«Если мы поймем, как приобретение двигательных навыков регулируется в мозгу, возможно, мы сможем помочь пациентам с инсультом или болезнью Паркинсона восстановить эти навыки в процессе реабилитации», говорит он.
Исследование было сосредоточено на мышах, а не на людях. Но поскольку ученые считают, что механизмы формирования памяти у мышей и людей очень похожи, результаты могут иметь большое значение для людей.
Ограничивая движения головы мышей на этапе визуализации, что позволяет ученым исследовать мозг с разрешением одной клетки, команда научила животных выполнять определенную двигательную задачу: доставать и брать пищевую гранулу из моторизованного держателя доставки.
Первоначально мыши с фиксированной головой были неуверенными и неуклюжими, когда хватали гранулу. Исследователи провели подробный анализ движений животных, используя DeepLabCut, программный набор инструментов для глубокого обучения, сочетающий видео захвата движения с искусственным интеллектом. Они обнаружили, что с повторением и временем у мышей сформировались стереотипные движения «дотянуться и схватить», что позволило им в конечном итоге легко достать пищу.
Команда хотела увидеть активацию нейронов, специфичных для движений типа «дотянуться и схватить» и проследить за формированием синаптических путей в мозге по мере их возникновения.
«Мы смогли наблюдать за изменениями в мозгу, пока мыши обучались этой задаче», говорит доктор Чен, доцент кафедры клеточной и молекулярной медицины медицинского факультета университета Оттавы.
Используя двухфотонную визуализацию, тип микроскопии, который позволяет визуализировать живую ткань в микрометровом масштабе, его команда смогла увидеть реорганизацию дендритных шипиков среди возбуждающих нейронов в первичной моторной коре, когда мыши с фиксированной головой выполняли эти хватательные действия. Дендритные шипы – нейронные структуры в синапсах, напоминающие леденцы с тонкими палочками и пузырькообразными верхушками, – играют ключевую роль в формировании и хранении памяти.
На клеточном уровне исследователи обнаружили, что моторное обучение избирательно индуцирует экспрессию зависимого от активности «фактора транскрипции», называемого NPAS4, в первичной моторной коре.
По словам доктора Чена, эти новые открытия раскрывают то, что экспрессия этого фактора транскрипции вызывает появление ансамбля тормозных нейронов, связанных с обучением, который модулирует торможение в первичной моторной коре. Это регулирует процесс реорганизации дендритных шипов среди возбуждающих нейронов во время обучения.
По сути, NPAS4 регулирует генные изменения в тормозных нейронах, которые контролируют активность этих нейронов, подобно тому, как ползунок громкости управляет динамиками ноутбука. Доктор Чен говорит, что эти результаты «также демонстрируют, что специфическая для тормозящих нейронов индукция фактора транскрипции действует как определяющая черта, лежащая в основе формирования ансамблей нейронов, задействованных в акте обучения».
Другими словами, повторение движений с течением времени изменило внутреннюю работу первичной моторной коры животных – части мозга, которой обладают только млекопитающие и которая контролирует сложные движения.
Команда обнаружила, что экспрессия фактора транскрипции NPAS4 в тормозных нейронах является ключом к тому, как ваш мозг отсеивает варианты, чтобы сформировать самые сильные моторные воспоминания для конкретных движений, и его необходимо постоянно повторно экспрессировать, чтобы эти воспоминания сохранялись и очищались в мозгу при выполнении повторяющихся практик.
