Команда нейробиологов из Колумбийского университета в Нью Йорке впервые показала, что поведение можно контролировать, активируя всего несколько клеток в коре головного мозга. Как им это удалось, можно прочесть в журнале Cell.
Credit: Luis Carrillo-Reid et al. in Cell
Нейроны коры головного мозга имеют свойство активироваться не поодиночке, а синхронно целой группой. Такие ансамбли могут представлять собой функциональные единицы мозга: модульные блоки воспоминаний, двигательных программ и даже мыслей. Но механизмы их работы до сих пор не до конца понятны. Используя метод оптогенетики, можно синхронно активировать группу клеток, которая образует искусственный, но устойчивый ансамбль. Образовавшийся ансамбль можно запустить, активируя всего лишь один нейрон из целой группы – это свойство характеризуется как «способность завершить паттерн». Команда ученых из Колумбийского университета смогла показать, что активация таких «запускающих» нейронов может влиять на поведение.
Такая тонкая и точная работа стала возможной благодаря методам двухфотонной кальциевой визуализации (можно отслеживать, какие нейроны запускаются в нервном контуре), двухфотонной оптогенетики (можно активировать отдельные нейроны по желанию). Более того, использование двухфотонных лазеров позволило команде выполнять визуализацию кальция и искусственную активацию нейронов в первичной зрительной коре (слои 2/3) мозга мышей с точностью до одной клетки.
В течение двух недель исследователи обучали мышей связывать визуальный стимул с определенным действием. Движущиеся вертикальные полосы, представленные на видеоэкране, служили стимулом к тому, чтобы начать лизать носик поилки с водой. Горизонтальные полосы, которые случайным образом чередовались с ключевым стимулом, не должны были вызывать никакой реакции. После того, как мыши научились связывать правильный зрительный стимул с облизыванием, исследователи идентифицировали группу нейронов, которые реагировали на вертикальные полосы, и реактивировали эти нейроны с помощью двухфотонного лазера. Эта реактивация побуждала мышей к лизательной активности и даже вызывала лизание в отсутствие каких-либо визуальных стимулов, как будто мыши видели вертикальные полосы как галлюцинацию. Исследователям также удалось вызвать лизание, стимулируя только два нейрона из вышеупомянутой группы, как если они были специфическими нейронами, связанными с данным типом поведения.
«Это самая захватывающая работа, проведенная в моей лаборатории за последние десятилетия, так как мы доказываем, что корковые ансамбли являются ключом к поведению и что мы можем играть с ними, как на пианино, и по желанию изменять поведение животных. Более того, наши данные указывают на то, что нейронные ансамбли являются внутренним представлением зрительного стимула», – говорит Рафаэль Юсте, старший автор исследования и профессор биологических наук в Колумбийском университете.
Электростимуляция различных областей мозга использовалась в течение десятилетий для ослабления симптомов двигательных расстройств, таких как болезнь Паркинсона, а в последнее время для лечения психоневрологических расстройств и депрессии. Этот метод, известный как глубокая стимуляция мозга, используется, чтобы помочь десяткам тысяч пациентов каждый год. Техника, однако, включает в себя манипуляции с большим объемом нейронов, чье пространственное местоположение и идентичность неизвестны. В этом исследовании ученые продемонстрировали доказательство того, что идентификация специфических нейронов и точное избирательное прицеливание могут изменить поведение, открывая путь к усовершенствованию этой техники, чтобы помочь в лечении заболеваний головного мозга.
Идентификация физиологически релевантных нейронных ансамблей с точностью до одной клетки может быть использована для реорганизации паттернов активности между целевыми нейронами и для перепрограммирования «неисправных» нейронных цепей.
«Реорганизация этих нейрональных паттернов потенциально может иметь значение в поиске новых методов лечения болезней, вызванных патологическими паттернами активности при психических и неврологических заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона или шизофрения», – говорит Луис Каррильо-Рейд, ведущий автор статьи.
«Кроме того, факт, что сенсорный стимул можно заменить, активируя всего несколько нейронов, указывает на то, что мы, возможно, начинаем приближаться к пониманию того, что такое восприятие или что такое мысль», – сказал Юсте. «И это может стать важным шагом вперед в понимании того, как работает наш разум».
Текст: Диана Галимова
Controlling Visually Guided Behavior by Holographic Recalling of Cortical Ensembles by
Luis Carrillo-Reid,Shuting Han,Weijian Yang,Alejandro Akrouh, Rafael Yuste in Cell. Published July 2019
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.05.045
