Нейробиологи вызывают выученные движения, активируя всего 20 клеток мозга

При обучении выполнению новых движений наш мозг фиксирует детали по мере овладения новым навыком. От ребенка, учащегося играть на фортепиано, до новичка в пиклболе, знакомящегося с ударами ракетки, наш мозг записывает паттерны нейрологической активности, когда мы приобретаем новые моторные навыки.

Ранее нейробиологи документировали различимые паттерны активности в моторной коре мозга, которые появляются при обучении специфическим движениям. Однако оставалось неясным, являются ли такие паттерны ответственными за генерирование движений или просто отражают движения, управляемые другими областями мозга. Кроме того, генерируется ли паттернированная активность в моторной коре или наследуется откуда-то еще?

Ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего теперь получили ответ. Изучая мышей, исследователи использовали передовые оптические методы и другие методы для анализа активности мозга с беспрецедентной детальностью.

Исследователи изолировали конкретную область, ответственную за новые выученные движения, и стимулировали несколько нейронов там, чтобы произвести движение, в результате чего получился вид "чтения мыслей" и "контроля над мыслями" посредством записи и стимуляции нейронов.

"Мы обнаружили, что кратковременная активация всего около 20 тщательно отобранных нейронов в моторной коре может вызвать больший паттерн активности мозга, связанный с выученным движением, и во многих случаях произвести само выученное движение", сказал старший автор Такаки Комияма, профессор отделений нейробиологии (Школа биологических наук) и нейронаук (Школа медицины) Калифорнийского университета в Сан-Диего.

"Учитывая, что мозг мыши содержит примерно 70 миллионов нейронов, удивительно, что такая небольшая стимуляция может управлять конкретной крупномасштабной активностью мозга и поведением."

Исследование, опубликованное в журнале Nature, было возглавлено аспирантом биологических наук Цию Чэнем и основано на исследованиях, проводимых Энн Ву, старшим научным сотрудником лаборатории Комиямы, которая трагически погибла в пожаре в Монреале в 2023 году.

В ходе исследования исследователи использовали комбинацию методов исследования, включая двухфотонную кальциевую визуализацию для точного отображения активности мозга и голографический оптогенетический метод для стимуляции нейронов. Эти методы позволили исследователям "читать" активность мозга и "писать" специфические паттерны вплоть до уровня отдельных клеток, позволяя им контролировать движение.

В то время как они записывали мозговые сигналы мышей, обучающихся новым движениям, исследователи выдвинули гипотезу, что нейроны с повышенной активностью непосредственно перед движением животных, или "нейроны с ранним началом", инициируют новое выученное движение. Авторы проверили, может ли искусственная стимуляция этих нейронов вызвать выученное движение.

"Мы наблюдали, что стимуляция нейронов с ранним началом может вызвать движения", подтвердили исследователи в исследовании. Они также обнаружили, что успех в воспроизведении выученного движения зависел от состояния моторной коры непосредственно перед стимуляцией и от того, был ли тестируемый мышь вовлечен в задачу.

"Новые технологии позволили нам читать активность сотен нейронов и писать новую активность в них, так что мы можем контролировать активность", сказал Чэнь. "Это дает нам преимущество возможности наблюдать активность нейронов во время определенного поведения. Мы можем определить функциональные свойства нейронов, а затем выполнить избирательную стимуляцию выбранных нами нейронов."

Исследование продолжается в лаборатории Комиямы с проектом продолжения, который стремится изучить связи между ключевыми нейронами. Исследователи хотели бы узнать, как нейроны "разговаривают" друг с другом, чтобы произвести выученные движения.

Такие исследования могут однажды помочь людям с различными заболеваниями, поскольку ученые разрабатывают интерфейсы мозг-компьютер, чтобы помочь пациентам с инсультом или параличом. Изучение того, как скоординированы нейроны, связанные с движением, может в конечном итоге помочь вызвать специфические движения для повседневной деятельности. Возможность записать специфическую активность в мозг также может быть использована в будущем для содействия обучению и восстановлению памяти.