Всегда считалось, что ассоциативное обучение регулируется корой мозжечка, которую часто называют «маленьким мозгом». Однако новое исследование, проведенное в результате сотрудничества Нидерландского института нейронаук, Erasmus MC и Центра неизвестного Шампалимо, показывает, что ядра мозжечка на самом деле вносят удивительный вклад в этот процесс обучения.

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 Броерсен, Катарина Альбергария, Даниэла Карулли, а также Меган Кэри, Катрин Канто и Крис де Зеув в качестве старших авторов, изучила мозжечок мышей. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

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.

Выходной центр

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.

Робин Брёрсен сказал: «Кора мозжечка долгое время считалась основным игроком в обучении рефлексу и времени закрытия век. С помощью этого исследования мы показываем, что своевременное закрытие век также может регулироваться ядрами мозжечка. Обе лаборатории мы работали над схожими темами исследований, и когда мы осознали синергию нашей работы, мы решили начать международное сотрудничество, результатом которого стала настоящая статья».

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.

Активация светом

Тем временем португальская команда проверила способность ядер мозжечка к обучению с помощью оптогенетики — метода, который использует свет для управления клетками.

Катарина Альбергария сказала: «Вместо того, чтобы использовать обычную световую вспышку для обучения мышей, мы напрямую стимулировали мозговые связи светом, сочетая его с подачей воздуха в глаза. Это заставляло 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».

Катрин Канто добавила: «Во время обучения связи между клетками мозга изменяются. Тем не менее, не было ясно, где в мозжечке происходят эти изменения. Поэтому мы посмотрели, 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».

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 сделать их электрическую активность достаточно точной, чтобы контролировать веко еще до того, как произойдет затяжка».

Мышь против человека

Броерсен сказал: «Хотя в этом исследовании используются мыши, общая анатомия мозжечка у мышей и людей одинакова . Хотя у людей гораздо больше клеток, мы ожидаем, что связи между клетками будут организованы одинаково».

«Наши результаты способствуют лучшему пониманию того, как работает мозжечок и что происходит в процессе обучения. Это также приводит к большему количеству знаний о том, как повреждение мозжечка влияет на функционирование, что может помочь пациентам в будущем. Путем стимуляции связей с мозжечком ядер, используя глубокую стимуляцию мозга , возможно, можно будет освоить новые двигательные навыки».