В экспериментах на мышах ученые возвращают «критический период» в начале жизни, когда появляется способность обрабатывать звуки
Вы не можете научить старую собаку новым трюкам - или можете? Учебники говорят нам, что раннее младенчество предлагает узкое окно возможностей, во время которых сенсорный опыт формирует способ соединения нейронных цепей для обработки звука и других входных данных. Отсутствие надлежащей стимуляции в этот «критический период» оказывает постоянное и пагубное влияние на развитие мозга.
Но новое исследование показывает, что слуховая система в мозге взрослой мыши может быть возвращена в незрелое состояние, подобное состоянию в раннем детстве, улучшая способность животных выучить новые звуки. Результаты, опубликованные в четверг в журнале Science , предлагают потенциальные новые способы восстановления функций мозга у пациентов с неврологическими заболеваниями и улучшения способности взрослых изучать языки и музыкальные инструменты.
У мышей наступает критический период, в течение которого нейроны в части морщинистой внешней поверхности мозга, в коре, очень чувствительны к обработке звука. Такое состояние пластичности позволяет им укреплять определенные связи в мозговых цепях, точно настраивая свои слуховые реакции и повышая их способность различать разные тона. У людей сопоставимый критический период может ознаменовать начало освоения языка. Но повышенная пластичность быстро снижается, и это продолжается на протяжении всей жизни, что делает его все труднее учиться.
В 2011 году Джей Блэндон, нейробиолог-исследователь в детской исследовательской больнице Сент-Джуд, и его коллеги сообщили, что критические периоды для контуров, соединяющих слуховую кору и таламус, происходят примерно в одно и то же время. (Таламус передает информацию от органов чувств в соответствующую область коры). Эти окна развития, по-видимому, контролируются молекулой под названием аденозин , уровни которой повышаются после закрытия критического периода. Это препятствует связи между клетками в двух регионах.
В последнем исследовании исследователи хотели определить, будет ли остановка передачи сигналов аденозина восстанавливать пластичность в слуховой коре. В одном из экспериментов они использовали микроэлектроды для измерения реакции нейронов в слуховой коре здоровых взрослых мышей на чистые тона. Ответы сравнивались с ответами животных, генетически сконструированных с отсутствием рецептора на клеточной поверхности, с которым связывается аденозин. Анализ показал, что клетки в слуховой коре мышей, у которых отсутствует рецептор аденозина, реагируют на больший диапазон частот, чем у мышей дикого типа.
Чтобы продолжить исследование, Блундон и его коллеги ингибировали передачу сигналов аденозина несколькими другими способами. Они разработали свой собственный штамм мышей, чьи аденозиновые рецепторы могли быть удалены из клеток таламуса, когда мыши достигли зрелости. Таламус посылает волокна в область коры, где обрабатываются звуки. Эта генная инженерия расширила частоту звуков, на которые реагировали клетки в слуховой коре, улучшив восприятие звуков мышами и улучшив их способность различать похожие звуки. Блокирование передачи сигналов аденозином с помощью лекарственного средства имело тот же эффект на здоровых мышах. «Этот [сигнальный] механизм, если он заблокирован, достаточен для распространения критической пластичности до поздней взрослой жизни», - говорит нейробиолог по развитию Станислав Захаренко., старший автор исследования, добавив, что результаты могут помочь сделать изучение языка у взрослых более эффективным. «Изучать язык очень легко для детей в возрасте от двух до трех лет, но курсы изучения языка для взрослых не очень эффективны, хотя взрослые по-прежнему способны эффективно изучать другие навыки», - говорит он. «Но если я возьму языковые курсы, подавляя выработку аденозина или передачу сигналов в таламусе, я получу информацию быстрее, сохраню ее дольше и, возможно, потеряю свой акцент».
Исследователи также считают, что их результаты могут предложить новое лечение таких состояний, как инсульт, а также звон в ушах или звон в ушах. Они думают, что лекарство, которое блокирует передачу сигналов аденозина, может обойти повреждение инсульта слуховой коры, восстанавливая пластичность и «переобучая» здоровые окружающие области, чтобы реагировать на звуки, обычно обрабатываемые поврежденными областями.
Однако не всех убеждают результаты. «Спектр методов, использованных в этой работе, впечатляет», - говорит нейробиолог Дженнифер Линден из Института Ушей в Университетском колледже Лондона, который не принимал участия в исследовании. «[Но] я скептически отношусь к выводу о том, что нарушение передачи сигналов аденозина в таламусе омолаживает пластичность в слуховой коре и улучшает слуховое восприятие». Она говорит, что вмешательство в передачу сигналов аденозина может изменить возбудимость нейронов в таламусе. Это сделало бы неясным, происходят ли наблюдаемые изменения в пластичности и слухе именно из-за ингибированной передачи сигналов аденозина, а не из-за измененной активности другого внутреннего клеточного пути в таламусе.
Исследование этого вопроса важно, потому что изменение возбудимости нейронов таламуса может ухудшить слуховое восприятие, добавляет Линден. «Десятилетия исследований связывают повышенную возбудимость в слуховых структурах мозга с фантомным восприятием звука в ушах», - говорит она. «Если нарушение передачи сигналов аденозина приводит к улучшению пластичности коры головного мозга, а также к проблемам со слухом, таким как шум в ушах, то это не будет эффективным средством улучшения слухового восприятия у людей».
Но Блундон и его коллеги поддерживают их утверждения. Повышенный аденозин, по его словам, уменьшает высвобождение сигнальной молекулы глутамата в таламусе, что, в свою очередь, снижает активность нейронов в слуховой коре. «Это снижение передачи сигналов аденозина является достаточным для восстановления кортикальной пластичности у взрослых, в то время как активация аденозиновых рецепторов у подростков достаточна для его блокирования», - объясняет Блундон. «Мы не утверждаем, что другие процессы, которые могут изменить возбудимость таламуса, не имеют никакого отношения к наличию или отсутствию пластичности слуховой коры у взрослых или к изменениям слухового восприятия - хотя мы не знаем таких процессов, которые были описаны, и исключили некоторые в наших предыдущих публикациях ».