Всегда считалось, что ассоциативное обучение регулируется корой мозжечка, часто называемой «маленьким мозгом». Однако новое исследование, проведенное в результате сотрудничества Нидерландского института нейронаук, Erasmus MC и Центра неизведанного Шампалимо, показывает, что на самом деле удивительный вклад в этот процесс обучения вносят ядра мозжечка.
Если из чашки идет пар, вам придется подождать немного дольше, прежде чем пить из нее. А если ваши пальцы застрянут в двери, в следующий раз будьте осторожнее. Это формы ассоциативного обучения, при которых положительный или отрицательный опыт приводит к учебному поведению. Мы знаем, что наш мозжечок важен в этой форме обучения. Но как именно это работает?
Чтобы изучить эту проблему, международная группа исследователей из Нидерландов и Португалии, в состав которой входили Робин Брёрсен, Катарина Альбергария, Даниэла Карулли, а также Меган Кэри, Катрин Канто и Крис де Зеув в качестве старших авторов, изучила мозжечок мышей. Исследователи обучали мышей двум различным стимулам: короткой вспышке света, за которой следовал легкий дуновение воздуха в глаз. Со временем мыши узнали, что между этими двумя явлениями существует связь, заставляющая их заранее закрывать глаза, когда они видят вспышку света. Эта поведенческая парадигма уже много лет используется для изучения того, как работает мозжечок.
Если посмотреть на мозжечок, то в нем можно различить две основные части: кору мозжечка, или наружный слой мозжечка, и ядра мозжечка, внутреннюю часть. Эти части взаимосвязаны. Ядра — это группы клеток головного мозга, которые получают все виды информации из коры. Эти ядра, в свою очередь, связаны с другими областями мозга, которые контролируют движения, включая закрытие век. По сути, ядра являются выходным центром мозжечка.
«Кора мозжечка долгое время считалась основным игроком в обучении рефлексу и времени закрытия век. В этом исследовании мы показываем, что своевременное закрытие век также может регулироваться ядрами мозжечка. Обе лаборатории работали над схожими темами исследований, и когда мы осознали синергию нашей работы, мы решили начать международное сотрудничество, результатом которого стала настоящая статья», — сказал Робин Брёрсен.
На мозжечок влияют другие области мозга через различные связи, так называемые мшистые волокна и лазающие волокна. В описанном выше эксперименте считается, что мшистые волокна несут информацию от света, а лазающие волокна передают информацию, связанную с воздушным потоком. Эта информация затем сходится в коре и ядрах мозжечка. Голландская команда исследовала влияние ассоциативного обучения на эти связи с ядрами и обнаружила, что мшистые волокна установили более прочные связи с ядрами у мышей, демонстрирующих ассоциативное обучение.
Тем временем португальская команда проверила способность ядер мозжечка к обучению с помощью оптогенетики — метода, который использует свет для управления клетками. «Вместо того, чтобы использовать обычную световую вспышку для тренировки мышей, мы непосредственно стимулировали мозговые связи светом, сочетая его с подачей воздуха в глаз. Это заставило мышей закрывать веки в нужное время, показывая, что ядра мозжечка могут поддерживать своевременное обучение. Чтобы убедиться, что это обучение действительно происходит в ядрах, мы повторили эксперименты на мышах с инактивированной корой мозжечка», — объясняет Катарина Альбергария.
«Во время обучения связи между клетками мозга меняются. Тем не менее, было неясно, где именно в мозжечке происходят эти изменения. Поэтому мы рассмотрели, что происходит с мшистыми волокнами и связями коры во время обучения. Мы обнаружили, что у мышей, которые научились, а не у тех, которые этого не делали, связи между мшистыми волокнами и корой головного мозга с ядрами стали сильнее», — говорит Катрин Канто.
Канто продолжает: «Мы также визуализировали то, что происходит внутри клетки, проведя электрические измерения внутри ядерных клеток живой мыши. Вы можете себе представить, что эти клетки очень маленькие, от 10 до 20 мкм. Это меньше диаметра человеческого волоса. Используя ультратонкую трубку с электродом, мы смогли записать электрическую активность внутри клеток, пока мышь выполняла эту задачу, что представляет собой огромную техническую задачу».
У обученных животных воздействие света вызывало изменение электрической активности внутри клеток ядра: клетки становились более активными, чем ближе вы подходили к воздушной затяжке с точки зрения времени. По сути, клетки были подготовлены к тому, что должно было произойти, и, следовательно, могли осуществлять свою электрическую активность достаточно точно, чтобы контролировать веко еще до того, как произошла затяжка.
«Хотя в этом исследовании используются мыши, общая анатомия мозжечка у мышей и людей одинакова. Хотя у людей клеток гораздо больше, мы ожидаем, что связи между клетками будут организованы таким же образом. Наши результаты способствуют лучшему пониманию того, как работает мозжечок и что происходит в процессе обучения. Это также приведет к получению дополнительных знаний о том, как повреждение мозжечка влияет на его функционирование, что может помочь пациентам в будущем. Стимулируя связи с ядрами с помощью глубокой стимуляции мозга, возможно, можно будет освоить новые двигательные навыки», — резюмировали авторы исследования.
