При обучении отростки нейронов отращивают шипы

Ученым удалось увидеть в режиме реального времени, что же происходит в нейронах при овладении новым двигательным навыком. Они смогли на живой мыши наблюдать перестройки в строении отростков нейронов двигательной коры мозга при обучении.

Команда И Цзо (Yi Zuo) из Калифорнийского университета в Санта-Крузе (University of California Santa Cruz) применила для этого высокотехнологическое оборудование -- двухфотонный лазерный микроскоп. Он позволяет проникнуть в живую ткань и получить изображение с высоким разрешением в узколокализованной точке. Благодаря этим возможностям ученые смогли использовать его на живой мыши и увидеть нейроны мозга через отверстие в черепе.

Правши и левши

Но сначала животных обучали. После предварительного голодания группу мышей в специальной экспериментальной установке тренировали доставать семечко через узкое отверстие. Грызуны используют для этого переднюю лапу -- правую или левую. Интересно, что, как и у людей, у мышей и крыс есть особи, предпочитающие делать это или правой, или левой лапой. Правда, в отличие от человека право- и леворукие мыши встречаются почти одинаково. Так что группу из 109 экспериментальных животных ученые сначала разделили на правшей и левшей, которых оказалось примерно поровну.

На стадии непосредственно обучения исследователи тренировали мышей в соответствии с их природой, то есть правшам они предлагали достать семечко из правого отверстия, а левшам -- через левое. Семечко надо было не только достать из отверстия, но и донести до рта. Мыши демонстрировали различные успехи: большинство в течение первых четырех дней обучения достигали около 40% успешных попыток, но некоторым задача не давалась.

Для сравнения ученые взяли также несколько групп контрольных мышей. Одних вообще не помещали в экспериментальную камеру. Других помещали, но не тренировали. Третьим клали семечко, но на таком расстоянии, что они при всем желании не могли до него дотянуться.

Микроскоп может заглянуть в мозг через череп

В течение часа после приобретения навыка животных помещали в установку для сканирования мозга с помощью двухфотонного лазерного микроскопа. Надо сказать еще о том, что, поскольку микроскоп флуоресцентный, интересующие ученых клетки надо было пометить. Для этого использовали желтый флуоресцирующий белок, ген которого экспрессировался в пирамидных нейронах двигательной зоны коры мозга.

Мышам давали наркоз и помещали их голову в стереотаксическую установку для точного определения координат визуального проникновения в мозг. В нужном участке в мозге делали отверстие и через него получали изображение пирамидных нейронов двигательной коры.

Биологов интересовали дендриты -- короткие отростки нейронов. На мембране дендритов образуются контакты с другими нервными клетками -- синапсы. В месте потенциальных синапсов на поверхности дендрита возникают выросты, которые называют шипиками. Эти шипики ученые смогли увидеть в микроскоп на дендритах нейронов и подсчитать их количество.

Шипики -- нестабильные образования, они появляются и исчезают. Биологам было интересно проследить за динамикой шипиков у обученных двигательному навыку мышей.

Новый навык требует новых контактов

Первое, что они увидели, это то, что у успешных мышей после первого дня обучения возникает 10,6% новых шипиков, это более чем вдвое превышает уровень неуспешных мышей (4,7% новых шипиков), а у контрольных мышей новые шипики не обнаружены. В дальнейшем оказалось, что на протяжении нескольких дней одни шипики возникали, другие исчезали, причем у успешно обучающихся мышей такая перестройка проходила более интенсивно. Кроме того, выяснилось, что у обученных мышей вновь образованные шипики более стабильны, а значит, действительно служат для формирования новых контактов -- синапсов.

Все эти изменения имели место только в коре полушария, противоположного рабочей лапе мыши, то есть у правшей -- в левом, а у левшей -- в правом. И только в двигательной зоне коры.

Таким образом, как объясняют авторы статьи, опубликованной в Nature, обучение новому двигательному навыку вызывает реорганизацию межклеточных контактов и именно в этом состоит механизм закрепления двигательного навыка.

Раз научился, уже не забудешь

Было интересно проследить, как долго сохраняется память на двигательное умение. Для этого ученые обучили пищедобывательной задаче совсем молодых мышей, а в возрасте четырех месяцев проверили, как они помнят урок. За это время мыши не забыли, как надо действовать, и хорошо справились с задачей без дополнительного обучения. Но оказалось, что новые шипики у них при этом не образуются -- в отличие от тех мышей, которые осваивали навык впервые. Значит, образованные у них ранее межнейронные контакты сохранялись и работали, и новых контактов не потребовалось.

Это объясняет, почему двигательный навык сохраняется даже без постоянной практики. А вот наиболее важна для развития человеческого мозга грамота.