«Зомби-нейроны» помешали мыши учиться

Мозжечок необходим для координации движений и равновесия, кроме того, он играет важную роль в процессе обучения, обеспечивая ассоциацию между сенсорными сигналами и действиями. Предполагается, что важную роль в этом играют входящие в кору мозжечка лазящие волокна, а также клетки Пуркинье — недавние опыты показали, что стимуляция последних может обеспечить передачу обучающих сигналов. Авторы статьи в Nature Neuroscience задались целью выяснить, какой вклад вносят те и другие клетки в процессы обучения — и показали, что для обучения необходимы и достаточны лазящие волокна вместе с особой разновидностью спайков, которые они индуцируют в клетках Пуркинье.  

Лазящие волокна, стимулирующие клетки Пуркинье, вызывают в них «сложные» спайки, состоящие из множества пиков. Эти спайки ассоциированы с сенсомоторными ошибками при выполнении ряда поведенческих задач, причем существуют закономерности, по которым активность сложных спайков меняется по мере обучения и при его прекращении. Для выяснения роли каждого из типов нейронов в процессах обучения авторы работы стимулировали лазящие волокна, клетки Пуркинье и некоторые другие виды клеток.

Первым делом исследователи показали, что оптогенетической стимуляции лазящих волокон достаточно для того, чтобы обеспечить обучение. Они выстроили эксперимент по аналогии с обусловливанием задержки моргания у мышей, ходящих по беговой дорожке. В классических опытах для этого используется нейтральный условный стимул (световой сигнал), который сочетают с безусловным стимулом (дуновением воздуха в глаз мыши). Лазящие волокна передают сигнал о дуновении воздуха на клетки Пуркинье, вызывая в них сложные спайки. При этом информация об условном стимуле передается в мозжечок по мшистым волокнам на гранулярные клетки, которые модулируют простые спайки в клетках Пуркинье. Паузы в активности этих простых спайков ассоциированы с закрытием век.  

Авторы работы убедились, что прямая оптогенетическая стимуляция лазящих волокон сможет заменить сенсорный стимул (дуновение воздуха) в управлении обучением. Для этого они экспрессировали в нейронах нижней оливы и лазящих волокнах каналородопсин 2 (ChR2) под контролем CaMKIIα промотора. Мышам предъявляли нейтральный стимул, а затем с помощью оптического волокна стимулировали тела лазящих волокон, связанных с морганием, либо их терминали. В обоих случаях оптогенетической стимуляции оказалось достаточно для того, чтобы заставить подопытных мышей моргать, причем эффект от нее был сопоставим с обычным обусловливанием.

Затем ученые аналогичным образом продемонстрировали, что оптогенетическая стимуляция клеток Пуркинье может обеспечивать обучение. Эта стимуляция также заменяла безусловный раздражитель в качестве обучающего сигнала.

Таким образом, прямая оптогенетическая стимуляция как лазящих волокон, так и клеток Пуркинье вносила вклад в обучение мышей — она заменяла безусловный сенсорный стимул, который использовался в классических опытах. Однако полученные результаты еще не позволяли оценить, какой вклад изменение простых спайков в клетках Пуркинье вносит в обусловливание моргания. Поэтому ученые перешли к следующей серии экспериментов, в которых они меняли время, продолжительность и интенсивность оптогенетического стимула. Оказалось, что ключевую роль в обучении играет начало стимуляции клеток Пуркинье. Исследователи предложили возможное объяснение этому наблюдению — вероятно, стимуляция клеток Пуркинье запускала в них что-то похожее на сложные спайки, которые участвовали в обучении.

Чтобы это проверить, ученые стимулировали клетки Пуркинье опосредованно через гранулярные клетки, чтобы вызвать только простые спайки. Как и предполагали ученые, хотя это и заставляло мышей моргать, обусловливания при такой стимуляции не происходило. Из этого следует, что для обучения необходимо индуцировать сложные спайки в клетках Пуркинье.

Наконец, авторы статьи выяснили, что оптогенетическое ингибирование активности лазящих волокон препятствует обучению. Более того, мыши, нормальная физиология лазящих волокон которых была нарушена экспрессией ChR2, лишались способности обучаться «традиционным» методом — с помощью сенсорного стимула. Сами авторы работы подчеркивают, что удивлены полученным результатом: у животных была в норме сенсорная обработка, их клетки Пуркинье демонстрировали такие же сложные спайки, как и у животных дикого типа, причем эти спайки вызывались и обусловливание успешно происходило при использовании оптогенетического стимула. Говоря о выявленной особенности трансгенных лазающих волокон, ученые проводят аналогию с зомби — нейроны в проведенном опыте получились функционально активными, но взаимодействовали с мозгом совсем не так, как нормальные клетки. Доктор Меган Кэри, руководитель исследования, комментирует неожиданное обнаружение: «Эти результаты служат самым убедительным на сегодняшний день доказательством того, что сигналы от лазящих волокон необходимы для ассоциативного обучения в мозжечке. Наши следующие шаги — выяснить, почему экспрессия ChR2 приводит к "зомбированию" нейронов, и определить, распространяются ли наши выводы на другие формы мозжечкового обучения».



Для запоминания мышам необходимы воспаление и разрывы ДНК в нейронах