Ежегодно более 795 000 человек переживают инсульт, который часто приводит к повреждению головного мозга, ухудшая их способность говорить, ходить или выполнять задачи. К счастью, во многих случаях эти способности можно восстановить с помощью лечебной физкультуры. По мере выполнения упражнений наш мозг приобретает замечательные способности перенастраиваться и восстанавливаться после повреждений.
Исследователи из лаборатории Карлоса Лоиса (Carlos Lois), профессора биологии в Калифорнийском технологическом институте (Caltech), используют маленьких птиц – зебровых амадинов, чтобы изучить, как головной мозг перестраивается, чтобы восстановить необходимые функции после повреждения. В новом научной работе ученые обнаружили, что зебровые амадины могут вновь обрести способность петь после повреждения головного мозга, аналогичного тому, которое имеют пациенты после инсульта.
«Представьте себе пианиста, который страдает каким-то повреждением мозга и не может играть на фортепиано», — комментирует Лоис. «Но однажды он просыпается и внезапно снова может играть. Каким-то образом его мозг смог перепрограммироваться и получить доступ к способности играть без какой-либо практики. Это то, что мы обнаружили у певчих птиц».
Новое исследование опубликовано в научном журнале Nature Neuroscience.
Зебровые амадины не рождаются со своими уникальными индивидуальными песнями; они выучивают свою песню, слушая, как поет их отец, и продолжают петь одну и ту же песню всю свою жизнь. Хотя у них есть врожденная предрасположенность к изучению песен, зебровые амадины не смогут выучить песню другого вида, даже если услышат ее в молодости. Другими словами, мозг зяблика запрограммирован на то, чтобы обращать внимание и копировать определенный, специфичный для вида набор звуков.
В новом исследовании изучались взрослые самцы зебровых амадин, которые уже выучили свои собственные песни. Исследователи сосредоточились на области мозга, которая кодирует способность петь, называемой высоким голосовым центром, или ВГЦ. Эта область имеет решающее значение для производства песни птицей, контролируя слоги песен и порядок их воспроизведения. В ходе исследования команда ученых генетически заставила замолчать около 70% нейронов в ВГЦ, оставив все остальные нейроны в мозге нетронутыми. Когда животные пытались петь, их песни резко ухудшались и звучали совсем не так, как оригинал.
После того как было подтверждено, что песня полностью деградировала, птицы молчали 10 дней. По истечении этого времени зебровые амадины снова решались петь, и они внезапно обрели способность правильно петь свои песни, как ни в чем не бывало. Важно отметить, что во время периода молчания птицы не слышали никаких других песен или звуков, а это означает, что они не учили песню заново — скорее, птицы смогли перепрограммировать свой собственный мозг, чтобы получить доступ к памяти своей исходной песни, используя только оставшиеся 30% нейронов ВГЦ.
Ученые предполагают, что, хотя животные не пели, пока бодрствовали, они, возможно, «видели во сне» свои песни, что позволяло их мозгу перепрограммироваться. Точно так же, как наши сны имитируют наши переживания, когда мы бодрствуем, мозг птиц также переживает «воспроизведение сна». Команда ученых предполагает, что мозг, по сути, восстанавливается во время так называемой оффлайн-активности.
Далее исследователи стремятся отобразить активность мозга зебровых амадин после генетического повреждения, пока птицы спят. Это позволит команде ученых наблюдать закономерности активности нейронов в ВГЦ и определять, перестраивается ли эта область во время сна.
Неизменность песен зебровых амадин на протяжении длительных периодов времени делает их мощной модельной системой для понимания того, как мозг осуществляет поведение. Поскольку песня одинакова каждый раз, когда ее поют, исследователи могут выявить точные корреляции между активностью мозга и поведением и обнаружить мельчайшие различия. Другие модельные системы, такие как мыши, имеют гораздо больше вариаций в своем поведении (например, мышь не всегда перемещается по лабиринту одинаково).
О мозге остается много вопросов, на которые Лоис надеется ответить, используя вьюрков в качестве модельной системы.
«Оригинальная песня хранится где-то в мозгу, и животным каким-то образом удается получить к ней доступ и использовать эту информацию, чтобы перепрограммировать себя», — заключает Лоис. «Никто на самом деле не знает, как мы храним воспоминания в мозгу и как мы получаем к ним доступ. Очень многое еще совершенно неизвестно о том, как функционирует мозг».
Литература:
Bo Wang et al, Unsupervised restoration of a complex learned behavior after large-scale neuronal perturbation, Nature Neuroscience (2024). DOI: 10.1038/s41593-024-01630-6