Автор Николас Вейлер
Идея о том, что лекарство может преодолеть ограничения мозга и высвободить наш неиспользованный потенциал, была пищей для многих научно-фантастических рассказов, но новое исследование показывает, что это не так надумано, как вы думаете. Фактически, это может привести к новым методам лечения нейродегенеративных состояний, таких как болезни Паркинсона и Альцгеймера.
Когда мы изучаем новый навык, будь то вышивка крестиком или отработка убийственной подачи, мозг должен научиться координировать десятки или сотни мышц, задействованных в этой задаче - то, что мы в просторечии называем «мышечной памятью». На самом деле эта информация хранится в новых синаптических связях в моторной коре головного мозга, дуге ткани мозга, расположенной примерно в том месте, где вы могли бы носить оголовье для наушников. Исследователи показали в исследованиях на животных, что память о конкретном навыке может даже быть стерта путем выборочного устранения соответствующих связей.
В новом исследовании, опубликованном 25 августа 2021 года в Neuron, исследователи из Института неврологии Ву Цай в Стэнфорде превратили мышей в «супер-учеников», сделав обратное - стабилизировав новые связи, сформированные, пока животные осваивали новое сложное движение. Это изменение, которое включало в себя деактивацию одного белка, обнаруженного в синаптических связях между клетками мозга, позволило мышам учиться лучше, быстрее и дольше.
Исследование представляет собой плоды сотрудничества лабораторий Джун Дин, доктора философии, которая использует передовые методы для изучения схемы планирования движений мозга, и Карлы Шац, доктора философии, которая известна своей плодотворной работой по пониманию синаптической пластичности - способность мозговых связей укрепляться и ослабляться во время обучения и раннего развития мозга.
Эдди Альбарран, доктор философии, ведущий автор исследования, поочередно работал в обеих лабораториях в качестве магистранта первого курса и признал возможность объединить опыт лабораторий.
В то время лаборатория Шац недавно обнаружила, что деактивация единственной синаптической молекулы, называемой PIRB, может вновь открыть замечательную детскую способность мозга к обучению за счет усиления образования новых синапсов. И лаборатория Дин только что обнаружила, что одним из факторов, способствующих потере контроля над мелкой моторикой у людей с болезнью Паркинсона, может быть дестабилизация синаптических связей в моторной коре головного мозга.
«Обсуждая эти идеи с Карлой и Джун, мы начали задаваться вопросом - если заболевание ухудшает обучение навыкам, делая синаптические связи менее стабильными, можем ли мы также сделать обратное - улучшить обучение навыкам, сделав эти связи более стабильными?» сказал Альбарран, который продолжил исследовать этот вопрос как ядро своей диссертации, выполняемой совместно двумя лабораториями.
Деактивация одной синаптической молекулы снимает ограничения на двигательное обучение
Исследовательская группа начала с деактивации PIRB в группах мышей - сначала генетически, а затем с помощью целевого препарата - а затем поставила перед животными задачу: как пройти через узкую щель в их вольерах, чтобы схватить семя проса и принести его. к их ртам.
Обычно мышам требуется много проб и ошибок, чтобы научиться ловить эти вкусные лакомства - они часто выбивают семя или роняют его по пути ко рту - но с отключенным PIRB животные овладевали новым навыком с замечательная скорость.
«В частности, я помню одну мышь, которая за пять попыток освоила этот медленный, точный охват, который работал почти каждый раз», - сказал Альбарран. «Мы не знали, какие животные были в ходе эксперимента, но это животное было явно одаренным. Она получала семена как минимум в два раза чаще, чем обычная мышь».
Эти «супер-ученики» не только показали лучшие результаты с первого дня, но и сохранили это преимущество перед своими братьями и сестрами с неповрежденным PIRB, когда исследователи снова протестировали их через месяц.
Мыши учатся хватать вкусное семечко проса методом проб и ошибок. Животные с отключенной единственной синаптической молекулой справлялись с задачей намного быстрее, часто за пять попыток. Изображение предоставлено: Эдди Альбарран, доктор философии.
«Я считаю удивительным в этом эксперименте то, что мы могли взять нормальных взрослых мышей и с помощью всего лишь короткого 10-дневного вмешательства с целевым лекарством превратить их в олимпийцев. Мы изменили физическую работоспособность животных, просто изменив их мозг», - сказала Шац, профессор кафедры биологии и нейробиологии, Кэтрин Холман Джонсон директор Stanford Bio-X и член Института Нейробиологии Ву Цая.
«Есть всевозможные способы ухудшить обучаемость и работоспособность животного, но очень редко можно увидеть фармацевтические манипуляции, которые могут снять ограничения и улучшить обучение», - добавила Джун Дин, доцент нейрохирургии и нейробиологии, и член Stanford BioX и Института неврологии Ву Цай .
Вмешательство восстанавливает детские способности к обучению, блокируя ослабление синапсов
Скорость и стабильность обучения навыкам у этих «олимпийских» мышей также отражалась на уровне мозговых цепей животных, которые Альбарран и его коллеги изучали, глядя через хирургически имплантированные окна в черепа животных с помощью микроскопов высокого разрешения, способных визуализировать индивидуальные синаптические связи.
Обычно освоение нового навыка приводит к формированию множества новых синапсов в моторной коре, за которым следует период потери синапсов, что сохраняет общее количество нейронных связей относительно стабильным. Но у животных без функционирующей PIRB новые связи, сформированные во время обучения, редко исчезали, и их все еще можно было обнаружить более чем через 30 дней после первоначального обучения.
Исследователи пришли к выводу, что PIRB, по-видимому, необходим для ослабления менее используемых синапсов, что является частью постоянного механизма выталкивания и вытягивания, называемого зависимой от активности пластичностью, который обычно поддерживает цепи мозга в хорошем состоянии, сохраняя только самые сильные и наиболее важные синаптические связи.
Альбарран показал, как потеря PIRB нарушает этот баланс в тонком эксперименте, в котором он стимулировал отдельные синапсы с точно рассчитанным по времени высвобождением глутамата нейромедиатора. Обычно это позволяет ему запускать правила пластичности, зависящие от активности, для усиления или ослабления индивидуальных синаптических связей. Но в мозге животных без функциональной PIRB синаптические связи, когда-то укрепленные за счет обучения, больше не могут быть ослаблены из-за неиспользования, что приводит к более быстрому и стабильному обучению.
Исследователи отметили некоторые потенциальные недостатки этой повышенной синаптической пластичности у мышей, лишенных PIRB. В частности, суперобучающиеся быстрее справлялись со стереотипами, чем немодифицированные животные, которые усваивали задание медленнее. Хотя по этому вопросу необходимы дополнительные исследования, это предположило исследователей, что важная роль PIRB может заключаться в переводе мозга из детского состояния быстрого и длительного обучения - например, обучения речи или езды на велосипеде - на более медленные, но более гибкие способности к обучению взрослого.
Но исследователи стремятся использовать новые результаты как потенциальный подход к восстановлению функций у людей с расстройствами, вызывающими дестабилизацию синапсов.
«Это было замечательное слияние наших лабораторий - движимое нейродегенерацией, с одной стороны, и нейропластичностью, с другой», - сказала Шац. «Мы надеемся взять уроки, которые мы извлекли из молодого мозга о том, почему дети учатся так быстро, а взрослые нет, и объединить их с тем, что мы узнаем о потере пластичности при нейродегенеративных расстройствах, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, чтобы в конечном итоге приводят к вмешательствам, которые потенциально могут восстановить функцию и улучшить качество жизни».
