Человеческий мозг обладает уникальным, но пока что не до конца изученным свойством – нейропластичностью. Это способность изменяться под действием опыта, а также восстанавливать утраченные связи после повреждений или в качестве ответа на внешние воздействия.
Это происходит благодаря тому, что нейроны могут создавать между собой новые или усиливать уже существующие связи, также известные как синапсы. Но вот вопрос: как клеткам мозга удаётся избежать "перегрузки" из-за усиления этих связей?
Команда нейробиологов из Массачусетского технологического института (MIT) совместно с коллегами из европейских и азиатских научных центров нашла ответ.
В новой работе учёные описали механизм, который помогает нейронам справиться с нагрузкой. Речь идёт о, в общем-то, логичном её перераспределении: когда один синапс усиливается, другие ослабевают.
"«Коллективное» поведение сложных систем всегда подчиняется простым правилам. Когда один синапс усиливается, уменьшается сила других в радиусе 50 микрометров", — рассказывает ведущий автор работы Мриганка Сур (Mriganka Sur).
По его словам, каждое такое изменение происходит благодаря одному и тому же конкретному молекулярному механизму. И это несмотря на то, что в нашем мозге миллиарды нейронов, каждый из которых насчитывает тысячи постоянно изменяющихся синапсов.
Хотя сам по себе механизм оказался довольно простым, эксперименты, которые потребовались для его изучения, были довольно сложными.
Учёные наблюдали за нейропластичностью в зрительной коре головного мозга мышей. Этот участок отвечает за обработку визуальной информации, поэтому, чтобы запустить и исследовать механизм, нейробиологи изменяли "поле восприятия" нейронов. Под этим термином понимается та часть картинки, за восприятие которой отвечает тот или иной нейрон грызуна. Все вместе они, соответственно, обрабатывают информацию, попадающую в поле зрения мыши.
Здесь стоит пояснить, что каждый нейрон обладает дендритом – разветвлённым отростком, имеющим шипики. Эти выросты и образуют синаптические соединения между нейронами.
Чтобы изменить "поле восприятия" того или иного нейрона, исследователи передвигали цель на экране, за которой следило животное, за пределы области ответственности конкретного изучаемого нейрона.
Всякий раз, когда цель перемещалась в позицию вне "поля восприятия" нейрона, специалисты усиливали связи между соответствующими нейронами, подсвечивая их синим цветом. Благодаря такому воздействию нейроны, заранее модифицированные при помощи оптогенетических методов, получали дополнительный толчок для формирования более сильных соединений.
Учёные проделывали это снова и снова, и каждая световая стимуляция точно соответствовала изменению положения визуальной мишени грызуна. Это заставляло нейроны усиливать соединения, создавая новое "поле восприятия".
Наблюдая за нейронами при помощи двухфотонного микроскопа, учёные заметили, что по мере усиления одного синапса связи в близлежащих ослабевали. При помощи более совершенной трёхмерной микроскопической визуализации швейцарские коллеги подтвердили выводы команды из MIT (о разнице двух методов визуализации можно судить по главному изображению).
"Я думаю, удивительно, что мы можем перепрограммировать одиночные нейроны в неповреждённом мозге и наблюдать в живой ткани разнообразие молекулярных механизмов, которые позволяют этим клеткам интегрировать новые функции через синаптическую пластичность", — говорит соавтор работы Сами Эль-Бустани (Sami El-Boustani) из Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии.
Отмечается, что подобных изменений не наблюдалось в экспериментах с контрольной группой, где не применялась световая стимуляция. Поскольку оптогенетическое перепрограммирование нейрона – это всё-таки противоестественный процесс, чтобы доказать наличие механизма в природе, команда, уже зная, что искать, провела ещё один эксперимент.
Мышам временно закрывали по одному глазу, имитируя монокулярное зрение. В такой ситуации синапсы в нейронах, связанных с закрытым глазом, ослабевали, а синапсы в нейронах, связанных с оставшимся открытым глазом, напротив, усиливались. Когда же грызунам вернули возможность видеть обоими глазами, синапсы снова "перегруппировались".
Но как же запускается молекулярный механизм перестройки? Подсказка нашлась в ходе наблюдений за AMPA-рецепторами, передающими быстрые возбуждающие сигналы в синапсах. Оказалось, что при усилении связей экспрессия этих рецепторов увеличивалась, а при ослаблении, напротив, снижалась.
Учёные поняли, что их следующая цель – белок Arc, который регулирует экспрессию AMPA-рецепторов. Но проблема заключалась в том, что никто никогда не отслеживал работу этого белка в живом мозге.
На помощь американцам пришли японские коллеги из Киотского и Токийского университетов. Они создали химический маркер, позволяющий следить за белком.
С его помощью специалисты увидели, что именно белок Arc помогает поддерживать равновесие между нейронными соединениями. Его производство возрастает в дендритах при усилении связей, и в то же время это становится "подсказкой" для соседних нейронов, сигналом снизить экспрессию AMPA-рецепторов.
"Мы считаем, что Arc поддерживает баланс синаптических ресурсов. Если что-то увеличивается, что-то должно и уменьшиться. Это главная роль белка Arc", — говорит соавтор работы Жак Пак Кан Ип (Jacque Pak Kan Ip).
Кстати, Arc является, как известно, белком памяти, поэтому вполне вероятно, что он может влиять на процессы запоминания и обучения на уровне отдельных нейронов именно при помощи механизма, описанного выше, полагает Мриганка Сур. Это новое направление для будущих работ.
Кроме того, открытие главного правила нейропластичности позволит более тщательно изучить не только ключевые процессы в мозге, но и природу их нарушений, которые становятся причиной различных неврологических заболеваний, заключают учёные.
Научная статья по итогам увлекательной работы была опубликована в журнале Science.
Кстати, ранее исследователи открыли новые свойства нейронных дендритов и впервые измерили ёмкость синапсов. А вековые представления о работе нейронов мозга оказались ошибочными.
Кроме того, авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о прорывных технологиях, которые позволяют получить беспрецедентные 3D-изображения тканей мозга и понаблюдать за "общением" нейронов напрямую.
