Ученым из Массачусетского технологического института удалось перепрограммировать нейронную сеть в мозге мышей, выявив механизмы, лежащие в основе нейропластичности. Статья с результатами работы опубликована в журнале Science.
Известно, что нейронные сети в мозгу способны изменяться в ответ на конкретные сенсорные сигналы, но при этом продолжают оставаться стабильными. В тот момент, когда по нейрону проходит электрический импульс, усиливаются или ослабляются его связи с другими нервными клетками. Этот процесс лежит в основе нейропластичности — свойства мозга человека и животных изменяться при определенных условиях и даже восстанавливать утраченные связи.
Исследователи осуществили перепрограммирование отдельных нейронов в первичной зрительной коре у бодрствующих мышей. Грызунам провели вскрытие черепа, после чего в интересующий нейрон был введен ген флуоресцирующего белка GCaMP6, который начинает испускать свет при прохождении через клетку импульса. Это было необходимо для визуализации изменений, происходящих в клетке. Кроме того, в некоторые нервные клетки по соседству был внедрен ген CHR2, кодирующий белок родопсин, вызывающий возбуждение нейронов в ответ на прямое облучение светом.
Изменения в нейроне отслеживали с помощью двухфотонной микроскопии. Через пять дней после операции грызунам, у которых в ходе эксперимента была зафиксирована голова, демонстрировали серый экран с белым квадратом, появляющимся на одну секунду в случайных точках. При этом в определенные моменты белый квадрат попадал в точку (мишень), которая была смещена немного в сторону от «поля зрения» нейрона с флуоресцирующим белком, но «воспринималась» некоторыми другими нейронами по соседству с ним.
Схема эксперимента
Изображение: Science.sciencemag.org
В тот момент, когда квадрат совпадал с мишенью, происходила световая стимуляция «воспринимающих» его нейронов. В результате у нейрона с GCaMP6 наблюдалось увеличение размеров дендритных шипиков, образующих синаптические соединения с этими клетками. Это позволяло сместить его «поле зрения» на мишень. Одновременно с этим уменьшались шипики, соединяющие нейрон с клетками, не участвующими в проведении зрительного сигнала. Таким образом осуществлялось перепрограммирование небольшой нервной сети.
Ученые также зафиксировали изменения в активности белковых рецепторов AMPA, которая коррелировала с усилением и ослаблением связей. По словам исследователей, им впервые удалось перепрограммировать отдельные нейроны в мозге живого существа и наблюдать за молекулярными механизмами, лежащими в основе пластичности.