Один нейрон меняет поведение

Для организма важен каждый нейрон головного мозга. Оказывается, для кардинального изменения поведенческой реакции иногда достаточно стимуляции нескольких клеток. Более того, есть «супернейроны», способные в одиночку менять поведение крыс.

Опрокидывая очередную рюмку за праздничным столом, подумайте о том, сколько нейронов убьёт эта доза. Каждый из них очень важен мозгу. Оказывается, всего одного нейрона достаточно, чтобы принципиально изменить поведение и процесс обучения.

Эти данные, опубликованные в последнем выпуске Nature, несколько противоречат традиционным взглядам, согласно которым для формирования поведенческой реакции необходимы тысячи клеток серого вещества. Подобное открытие свидетельствует в пользу теории «рассеянных нейронных сетей», согласно которой возбуждение нескольких клеток способно привести к масштабному ответу.

Ученые из Медицинского института имени Говарда Хьюза в Вирджинии под руководством Карела Свободы и их коллеги из Берлинского университета имени Гумбольдта исследовали область мозга, воспринимающую сигнал от усов, столь важных для мелких грызунов. Эти клетки располагаются в соматочувствительной области, состоящей из двух миллионов нейронов. Каждому усу соответствует множество клеток, образующих бочкообразные по форме группы, что и дало этой области коры её название («сома» переводится с греческого как «тело»).

Ученые выбрали эти клетки не случайно – способность крыс ориентироваться с помощью усов поражает, при этом устройство корковых центров осязательной чувствительности гораздо проще зрительных. Как пояснил в Nature Михаэль Брехт, руководитель немецкой группы, в исследовании ученые использовали и слепых, и зрячих крыс, при этом в поведении и передвижении обеих групп практически нельзя было увидеть разницы. «Нам даже приходилось маркировать вольеры со слепыми крысами», – говорит Брехт.

И американские, и немецкие исследователи, проводившие эксперименты независимо, пользовались разными методами стимуляции отдельных нейронов. Группа Брехта использовала классические методы физиологии, разработанные еще 50 лет назад: они вживляли в неокортекс головного мозга крыс микроэлектроды, возбуждающие отдельные клетки.

Американские специалисты «вели» своих питомцев буквально с зачатия. Еще когда эмбрионы находились в матке, ученые внедрили в клетки-предшественники интересующего их слоя коры «коктейль» из генов методом электропорации. Этот метод заключается в создании короткого электрического разряда, делающего в мембране всех клеток пору, через которую в клетку попадают находящиеся в окружающей суспензии молекулы. Практически сразу эта пора закрывается за счет физических свойств фосфолипидного слоя самой мембраны. Повреждались при этом все клетки, но ДНК попадала только в нужные, поскольку «коктейль» ученые вводили в желудочек головного мозга эмбриона, выстилаемый клетками-предшественниками.

Введены были три гена. Первый и основной позаимствовали у водоросли. Он кодирует белок цитоплазматического канала, который при раздражении светом начинает пропускать ионы как внутрь, так и из клетки, изменяя разность потенциалов на мембране и приводя к возбуждению последней.

Два других гена – «контрольные». Они традиционно применяются в клеточной биологии для проверки качества внедрения других генов. GFP – зеленый флуоресцирующий протеин и RFP – красный флуоресцирующий протеин – инертны для клетки и не влияют на её обмен веществ. При этом их очень просто различать внутри живой клетки, не применяя специальных методов окрашивания. Три гена внедряются одной цепочкой, поэтому если в клетке видны GFP и RFP, то считается, что первый ген тоже работает, то есть производит соответствующий белок, в данном случае – цитоплазматический светочувствительный канал.

Затем в череп крыс ученые вмонтировали специальный светодиод и небольшое стеклянное окошечко, пропускающее его свет.

Учёные не могли раздражать отдельные нейроны подобным методом, но, регулируя интенсивность света, они влияли на потенциал клеточных мембран.

Вторая часть обоих независимых экспериментов заключалась в «научении» крыс. Брехт «учил» своих грызунов перекрывать пучок света языком после стимуляции отдельных нейронов. Свобода и его коллеги «награждали» обычной водой крыс, правильно выбирающих дверцу в клетке после стимуляции светом. При этом раздражаемые светом зверьки, не экспрессирующие GFP и RFP, а следовательно, и ионный канал, обучению не поддавались даже после нескольких сотен попыток. Неудивительно – они ж не знали, что их клетки подвергаются «стимуляции».

Дальше специалисты смогли доказать, что для обучения достаточно активации светом всего шестидесяти нейронов.%%

Более того, в 5% случаев крысы реагировали на раздражение всего лишь одного нейрона, но развитие реакции зависело от того, какую именно клетку раздражали ученые. В половине случаев из этих пяти процентов за возбуждение отвечали буквально несколько нейронов. А во второй половине – какой-либо из оставшихся сотен тысяч.

Если раньше считалось, что кора реагирует на возбуждение обширным возбуждением, и что за поведенческие реакции отвечают группы из десятков и сотен тысяч нейронов, то независимые находки немецких и американских специалистов свидетельствуют, что для этого достаточно лишь нескольких «особо» активных клеток. Впрочем, и Брехт, и Свобода признают, что для новой теории рассеянных сетей информации пока недостаточно. Однако и они, и другие нейрофизиологи по всему миру продолжают добывать новые данные.