Американские исследователи продемонстрировали способность нейронов брать на себя новые функции. Нейроны зрительного центра легко смогли обучиться действовать подобно моторным нейронам. Статья об этом опубликована в журнале Neuron.
Credit: public domain
Нейробиологи из Калифорнийского университета в Беркли и Колумбийского университета обучили нейроны, которые обычно обрабатывают входящие сигналы от глаз, развивать новые «навыки», а именно – управлять генерируемым компьютером звуковым тоном. Исследователи отмечают, что подобным образом можно было бы управлять, например, роботизированной рукой или нужным нейрокомпьютерным интерфейсом.
Нейрокомпьютерный интерфейс (НКИ) — система, созданная для обмена информацией между мозгом и электронным устройством. В однонаправленных интерфейсах внешние устройства могут либо принимать сигналы от мозга, либо посылать ему сигналы, а в двунаправленных мозг и внешнее устройство обмениваются информацией в обоих направлениях.
«Чтобы получить вознаграждение, крысы научились создавать произвольные образцы нейронной активности, не связанные с получением визуальных данных, чтобы контролировать НКИ. Это подчёркивает силу, нейропластичность и гибкость мозга», — говорит Хосе Кармена (Jose M. Carmena), возглавляющий исследование.
В 2012 году исследователи первыми показали, что в моторной области мозга нейроны не могли научиться виртуальной задаче без пластичности в связях с клетками в полосатом теле. «Когда эти клетки инактивировались, животное теряло способность учиться, что говорит о том, что то, что мы наблюдали шесть лет назад в моторных зонах в отношении полосатого тела – общий «кирпичик» обучения в мозге», — отмечает Кармена.
Кармена и главный автор работы, Райан Нили (Ryan M. Neely), также обнаружили, что ключевыми для обучения стали нейрональные связи с полосатым телом. Эти данные свидетельствуют о том, что полосатое тело играет более широкую роль в формировании кортикальной активности, чем это ранее предполагали. Новые данные, полагает доктор Кармена, могут даже изменить как понимание нейробиологии мышления и действия, так и существующие технологии НКИ.
Мозг-пластилин
Пластичность мозга обладает большой силой, и это используется в нейрореабилитации: люди с повреждением одной зоны мозга могут «перетренировать» соседние области, чтобы восполнить утраченную функцию. Мозг усваивает новые навыки и контролирует движения, например, протезов конечности. Учёные задались целью проверить, как далеко заходит эта пластичность.
Нили имплантировал 16 электродов в разные участки зрительной коры каждой из 12 крыс. Он произвольно направлял электрическую активность, регистрируемую электродами, устройству, которое поднимало или понижало высоту звукового тона в зависимости от того, какие нейроны были активны.
Затем крысы тренировались в течение нескольких сеансов, чтобы поднимать или опускать звуковой тон: только при звуке определённой тональности (то есть при активности нужной группы нейронов) они получали сладкий напиток. В итоге все крысы научились производить всплеск активности в правильном наборе нейронов, подавляя её у других нейронов, чтобы получать заветную награду.
На изображении показаны зоны, куда подводились электроды. Жёлтые стрелки схематически показывают обратную связь между зрительной корой головного мозга крысы и полосатым телом, которая представляет собой «ключ» к новым навыкам.Credit: Ryan Neely
Учёные из Champalimaud Centre for the Unknown в Лиссабоне и Института по изучению мышления и мозга Мортимера Б. Цукермана Колумбийского университета провели аналогичные эксперименты на мышах.
«Мы продемонстрировали, что полосатое тело помогает организму научиться контролировать активность в других областях мозга, даже если она генерируется в первичной сенсорной области – зрительной коре», — отмечают они. «Эти данные свидетельствуют о том, что полосатое тело обладает свойством регулировать способности организма к активному восприятию».
Исследователи полагают, что есть область мозга, которая также представляет собой часть цикла обучения, включающего кору и полосатое тело. Она обеспечивает обратную связь от полосатого тела к коре, поскольку обратная связь существует, но ни одна клетка полосатого тела не соединяется непосредственно с зрительной корой. Текущие исследования предназначены для обнаружения других областей и проливают свет на то, как мозг способен переквалифицировать только несколько клеток в коре из миллионов, чтобы управлять объектом вне тела. В эту сеть могут включаться, например, таламус и средний мозг. Эти данные нужны, чтобы создать нейроинтерфейсы нового поколения.
Текст: Полина Гершберг
Volitional Modulation of Primary Visual Cortex Activity Requires the Basal Ganglia by Ryan M. Neely, Aaron C. Koralek, Vivek R. Athalye, Rui M. Costa, Jose M. Carmena in Neuron. Published March 2018.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.neuron.2018.01.051