Определённые нейроны перестраиваются, чтобы контролировать время движений

Будь то речь, вождение или игра на музыкальном инструменте, почти всё, что мы делаем, требует точного расчёта времени действий. При изучении новых навыков человеку нужно не только узнать, какие движения выполнять, но и когда их исполнять. Учёные из MPFI выяснили, что форма и связи определённых нейронов меняются в процессе обучения временной координации движений. Исследование показывает, что хотя пластичность свойственна многим клеткам мозга, она не избыточна: разные типы нейронов играют конкретные роли в перестройке сети во время обучения.

Новый подход

Понимание того, какие нейроны перестраиваются и какую роль они при этом выполняют, было основной мотивацией для Шувика Маджумдера и Хидехико Инагаки из MPFI, руководивших работой, недавно опубликованной в Nature Communications . Однако традиционные методы изучения обучения не позволяли напрямую связать перестройку отдельных типов клеток с изменениями в активности и поведении.

«Мы хорошо знали, как активность мозга изменяется во время обучения, чтобы формировать время движения, но чтобы по-настоящему понять, как мозг учится, нам нужен был способ проверить, как перестройка отдельных нейронов меняет активность и поведение»,

— говорит Шувик Маджумдер, учёный MPFI.

Команда ответила на этот ключевой вопрос, наблюдая за мышами, которые учились изменять время своих движений. Животных поощряли за ожидание более длительных интервалов после звукового сигнала прежде, чем сделать движение и получить награду. В процессе обучения исследователи регистрировали электрическую активность тысяч нейронов в премоторной коре — участке, отвечающем за планирование и синхронизацию движений — и наблюдали, что паттерны активности в этой области меняются по мере того, как животные учатся задерживать движение.

Главный вопрос заключался в том, является ли перестройка отдельных нейронов причиной этих изменений, и если да — выполняют ли разные нейроны разные задачи при формировании новых паттернов.

Чтобы ответить на это, учёные временно блокировали механизмы синаптической пластичности в определённых классах нейронов во время обучения, одновременно записывая активность коры и отслеживая поведение мышей. Такой комбинированный подход позволил напрямую связать перестройку в отдельных типах клеток со сдвигами в мозговой активности, которые сопровождают освоение временной координации.

Ключевой результат

Команда обнаружила, что, хотя синаптическая перестройка возможна в разных типах клеток, её роль не взаимозаменяема. Блокировка механизмов пластичности в одном классе — нейронах пирамидного тракта (ПТ) — полностью прекращала обучение: мыши не научались увеличивать задержку перед движением. При блокировке пластичности в другом, более распространённом типе — интрателенцефальных (ИТ) нейронах — обучение продолжалось. Кроме того, перестройка в двух разных подгруппах PT-нейронов оказалась взаимодополняющей и совместно регулировала синхронизацию движений во время обучения.

Старший автор Хидехико Инагаки поясняет: «Мы обнаружили, что хотя пластичность в мозге широко распространена, она не избыточна. Пластичность в определённых типах клеток выполняет точные функции, необходимые для формирования нейронной активности и приводящие к изменениям в поведении».

В дальнейшем команда планирует применять этот метод для изучения других аспектов двигательного обучения. Исследователи надеются, что подход послужит примером для коллег и поможет объяснить, как перестройка в разных типах нейронов координирует разные виды обучения. Дальнейшие исследования позволят лучше понять, какие нарушения или дефициты в отдельных типах нейронов могут влиять на освоение временной координации движений.