Учёные UC San Diego вызвали выученное движение у мышей, стимулируя около 20 нейронов

Когда мы осваиваем новые движения, мозг поэтапно запоминает характерные паттерны активности.

От маленького ребёнка, изучающего игру на пианино, до новичка в пиклболе — моторные навыки формируются по мере повторения и тренировки, и это отражается в изменениях нейронной активности.

Ранее нейробиологи описывали различимые паттерны активности в моторной коре при выполнении специфических движений, но оставались вопросы: являются ли эти паттерны причиной движения или лишь отражением команд из других областей мозга, и генерируются ли они локально в моторной коре или приходят извне.

Исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего поставили эти вопросы в эксперимент и получили подробные ответы на модели мыши, используя современные оптические методы и точечную стимуляцию нейронов.

«Мы обнаружили, что кратковременная активация только около 20 тщательно отобранных нейронов в моторной коре может вызвать более широкую картину активности мозга, связанную с выученным движением, и во многих случаях — само это выученное движение. Учитывая, что мозг мыши содержит около 70 миллионов нейронов, удивительно, что такая небольшая стимуляция может управлять специфической крупномасштабной мозговой деятельностью и поведением», — отметили авторы.

Такаки Комияма, старший автор исследования, — профессор факультетов нейробиологии (Школа биологических наук) и нейронаук (Медицинская школа) Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Исследование, опубликованное в журнале Nature , проводилось под руководством аспиранта биологических наук Цию Чена и опирается на работу Ань Ву, помощника научного сотрудника проекта в лаборатории Комияма, который трагически погиб во время пожара в Монреале в 2023 году.

В работе применялись сочетания современных приёмов: двухфотонная визуализация кальция для детальной съёмки активности отдельных нейронов и голографическая оптогенетическая стимуляция, позволяющая адресно возбуждать выбранные клетки. Эти подходы дали возможность одновременно «считывать» активность сотен нейронов и «записывать» в неё заданные шаблоны на уровне отдельных клеток.

Исследователи наблюдали мышей во время обучения новым двигательным задачам и выделили нейроны, активность которых повышалась непосредственно перед началом движения — так называемые нейроны с ранним началом. Они проверили, достаточно ли искусственной стимуляции таких клеток для запуска выученного движения.

«Мы заметили, что стимуляция нейронов с ранним началом может вызывать движения», — констатировали авторы. Они также выяснили, что успех вызова выученного движения зависел от состояния моторной коры в момент стимуляции и от того, была ли мышь вовлечена в выполняемую задачу.

«Новые технологии позволили нам одновременно считывать активность сотен нейронов и вносить в неё изменения, чтобы затем селективно стимулировать отдельные клетки. Это даёт возможность наблюдать за нейронной активностью во время поведения, определять функциональные свойства отдельных нейронов и затем проверять их роль с помощью целевой стимуляции», — говорят авторы.

Дальнейшая работа в лаборатории Комияма направлена на изучение связей между ключевыми нейронами: учёные хотят понять, как отдельные клетки «общаются» друг с другом, чтобы согласованно генерировать выученные движения.

Такие исследования имеют потенциальное прикладное значение: понимание координации нейронов, участвующих в движении, может помочь в разработке интерфейсов «мозг‑компьютер» для восстановления функций после инсульта и при параличе, а также в будущих подходах к обучению и восстановлению памяти.