"Зомби невроните" изясняват как се обучава малкият мозък

Разположен в задната част на главата, под големия мозък, церебелумът, наречен "малък мозък" - макар че съдържа над половината от мозъчните неврони – играе жизненоважна роля в координирането на нашите движения и ученето от нашия опит.

Въпреки че е добре известно, че малкият мозък усъвършенства нашите действия въз основа на сензорна обратна връзка и минали грешки, специфичният механизъм зад процеса на обучение остава донякъде неуловим.

Откритието на зомби неврони

Наскоро проучване на изследователи от фондация Champalimaud хвърли светлина върху откриването на  т. нар. "зомби неврони".

Тези неврони, макар и живи, са претърпели функционални промени, които значително подобряват разбирането ни за ролята на малкия мозък в процесите на обучение.

Сензорни сигнали и двигателни действия

Малкият мозък е от решаващо значение не само за това, че ни позволява да изпълняваме ежедневните си дейности с прецизност, навигирайки в претъпкани пространства или спортуване, но и за това как се научаваме да свързваме сензорните знаци с двигателните действия.

Всеки път, когато регулираме хватката си, за да предотвратим разливане на напитка, приспособявайки се към теглото на съда и съдържанието му, ние изпитваме способността на малкия мозък да свързва сетивни сигнали с двигателни реакции.

Обучаващи сигнали в мозъка

Обучението включва постоянната оценка от малкия мозък на външните стимули и резултатите от нашите действия, използвайки информация за грешки за фина настройка на невронните връзки. Тази корекция води до промени в начина, по който реагираме на конкретни сигнали с течение на времето.

Естеството на тези "грешки" или "учебни сигнали" в мозъка и тяхната роля в стимулирането на поведенческите промени вече са били обект на обширни изследвания. Това последно проучване предоставя убедителни доказателства, че активността на определен клас входни сигнали на малкия мозък, наречени катерещи се влакна, е от решаващо значение за асоциативното обучение.

Учебен експеримент с мишки

За да проучат ролята на катерещите се влакна и техните цели, церебеларните клетки на Пуркиние, при ученето, изследователите провеждат експеримент с мишки.

Те използват обичайна учебна задача, наречена кондициониране на мигането. В тази задача мишката се научава да мига в отговор на специфичен сигнал, като например светлина, която предшества дадено събитие, обикновено лек въздушен поток, насочено към окото. След това животните демонстрират асоциативно обучение, свързвайки сензорен сигнал с адаптивна реакция на движение, в този случай мигане.

Дистанционно управление за мозъчни клетки

"В нашия експеримент използвахме техника, наречена оптогенетика. Този метод функционира като изключително прецизно дистанционно управление за мозъчните клетки, като използва светлина за включване или изключване на определени клетки, представляващи интерес, в изключително специфични моменти", обясни водещият автор Татяна Силва (Tatiana Silva), научен сътрудник по невронауки в Champalimaud.

"Катерещите се влакна обикновено реагират на сензорни стимули като издухан въздух към окото. Чрез прецизно активиране на тези влакна с оптогенетика, успяхме да подмамим мишката да мисли, че е получила въздушна струя, когато всъщност не е така. След като последователно стимулирахме катерещите се влакна по време на представянето на визуална реплика, мишките се научиха да мигат в отговор на тази реплика – дори при липса на стимулация. Това доказа, че тези влакна са достатъчни, за да управляват този тип асоциативно обучение.

Катерещите се влакна са необходими за асоциативното обучение

Изследователите са успели да демонстрират, че катерещите се влакна също са необходими за асоциативното обучение.

"Когато използвахме оптогенетика, за да заглушим селективно катерещите се влакна по време на представянето на реален въздушен поток, мишките изобщо не успяха да се научат да мигат в отговор на визуалния знак", разказва Силва.

Екипът манипулира различни други типове мозъчни клетки в малкия мозък, но открива, че нито една не може да осигури толкова надеждни сигнали за обучение за учене.

Коригиране на специфични модели на активност в целевите мозъчни клетки

Задълбочавайки се в своите данни, изследователският екип се натъква на неочакван обрат. За да контролират активността на катерещите се влакна чрез оптогенетика, те въвеждат светлочувствителен протеин, наречен Channelrhodopsin-2 (ChR2) в тези специфични неврони. Но забелязват, че мишките, проектирани да експресират ChR2, не успяват да се научат, използвайки конвенционалната техника за обучение с въздушен поток.

"Оказа се, че въвеждането на ChR2 в катерещите се влакна променя техните естествени свойства, пречейки им да реагират по подходящ начин на стандартни сензорни стимули като въздушните подухвания. Това от своя страна напълно блокира способността на животните да учат", обяснява старши авторът Меган Кери (Megan Carey), ръководител на групата в Програмата за невронауки в Champalimaud.

"Забележителното бе, че същите тези мишки се научиха отлично, когато съчетахме активирането на катерещи влакна с визуален знак, а не с въздушен поток", добавя Силва. Това случайно откритие реализира дълго търсена цел в рамките на невронауката: коригиране на специфични модели на активност в целевите неврони, без напълно да спира комуникацията им.

Катерещи се влакна като зомби неврони

Този метод предлага прецизен подход за изследване на прякото им въздействие. Въпреки че катерещите се влакна са спонтанно активни и привидно нормални, техният променен отговор на сензорния вход попречи на животните да научат задачата, което подтикна Силва да ги нарече зомби неврони: живи във функция, но отделени от обичайната си роля в мозъчните вериги.

"Тези резултати служат като най-убедителното доказателство досега, че сигналите от катерещите се влакна са от съществено значение за асоциативното обучение на малкия мозък. Следващите ни стъпки включват разбиране защо експресията на ChR2 води до "зомбифициране" на невроните и определяне дали нашите открития обхващат и други форми на обучението в малкия мозък", заключава Кери.

Справка: Silva, N.T., Ramírez-Buriticá, J., Pritchett, D.L. et al. Climbing fibers provide essential instructive signals for associative learning. Nat Neurosci (2024). https://doi.org/10.1038/s41593-024-01594-7 

Източник: ‘Zombie neurons’ shed new light on learning, Earth.com

Още по темата

05/12/2023

Животът

Wi-Fi за неврони: Първа карта на безжични нервни сигнали

14/03/2023

Медицина

Революция в невронауката: Първата пълна карта на мозъчните неврони на насекомо (видео)

13/01/2023

Медицина

Д-р Койчева: Биоелектронна медицина, оптогенетика и изкуствен интелект срещу възпалителните процеси

18/01/2022

Медицина

Учени откриват как да спрат процеса на клетъчна смърт, смятан преди за необратим