Нейробиологи выяснили, что пластичность мозга достигает пика в конце дня

Новое исследование подтверждает, что способность мозга обрабатывать сигналы и адаптироваться к новой информации ритмично меняется в течение 24-часового цикла. Исследование, опубликованное в журнале Neuroscience Research, показывает, что, хотя усталость, по-видимому, подавляет немедленную нейронную активность в конце активной фазы, в этот же период может повышать способность мозга к обучению и формированию памяти. Эти данные свидетельствуют о том, что мозг создаёт определённые временные окна, оптимизированные для различных типов нейронной обработки.

Биологические системы существенно отличаются от механических схем, поскольку не всегда выдают одинаковый выходной сигнал при одних и тех же входных данных. Электрическая цепь запрограммирована на постоянную реакцию. Однако мозг функционирует в постоянно меняющейся внутренней среде. Такие факторы, как метаболизм, гормональные циклы и потребность во сне, меняются в течение дня и ночи.

«Нейронные цепи не работают как стационарные электронные системы», — пояснили авторы исследования профессора Йоко Икома и Ко Мацуи из Университета Тохоку. «Даже при просмотре одной и той же сцены то, что мы воспринимаем или помним, сильно зависит от нашего внутреннего состояния в этот момент. Предполагается, что эти колебания реакции и метапластичности возникают из-за ежедневных изменений концентраций ионов и нейромодуляторных молекул, окружающих нейроны».

Среди факторов, формирующих эту внутреннюю среду, — физиологические ритмы, которые следуют 24-часовому циклу и контролируются взаимодействием циркадных часов и внешнего цикла «свет-темнота». Хотя известно, что эти ритмы влияют на многие биологические процессы, то, как они влияют на химию мозга, возбудимость и пластичность нейронов, остаётся во многом неясным.

«Наше исследование напрямую изучило, как время суток влияет на нейронную реакцию мозга ночных крыс. Эти результаты помогают объяснить, почему восприятие, обучение и утомляемость различаются в течение дня как у животных, так и у людей», - объсняют авторы.

Чтобы изучить эти суточные ритмы, исследовательская группа сосредоточилась на первичной зрительной коре. Они использовали специализированную методику, называемую оптогенетикой. Этот метод предполагает использование трансгенных крыс, в определённых нейронах которых экспрессируется светочувствительный белок каналородопсин-2.

Подавая точные импульсы синего света непосредственно в мозг, исследователи смогли активировать эти нейроны без использования электрического тока. Это позволило им избежать электрических помех, которые часто затрудняют традиционные методы регистрации. Они вживили электроды для регистрации локальных полевых потенциалов – электрических сигналов, отражающих коллективную активность групп нейронов.

В исследовании использовалась выборка самцов крыс породы Вистар, содержавшихся в условиях контролируемого 12-часового цикла светового дня и 12-часового цикла темноты. Поскольку крысы ведут ночной образ жизни, их активная фаза приходится на тёмное время суток. Исследователи определили «восход солнца» как окончание периода активности крысы, а «закат» — как начало периода бодрствования.

Исследователи воздействовали на зрительную кору идентичными импульсами света в разное время в течение нескольких дней. Они регистрировали нейронную активность для измерения возбудимости. Данные выявили чёткую суточную закономерность в реакции нейронов.

Несмотря на постоянную интенсивность стимула, нейронная реакция варьировалась в зависимости от времени суток. Нейронные сигналы были наиболее интенсивными непосредственно перед закатом, что соответствует времени, когда крысы просыпались и чувствовали себя отдохнувшими. С другой стороны, сигналы были наиболее слабыми непосредственно перед восходом солнца, после того как крысы были активны всю ночь.

Это изменение свидетельствует о том, что зрительная кора становится менее возбудимой и менее чувствительной к немедленным стимулам после длительного периода бодрствования. Чтобы понять химический механизм, лежащий в основе этого подавления, группа исследователей исследовала роль аденозина.

Аденозин — нейромодулятор, который накапливается в мозге по мере того, как организм бодрствует. Он широко известен как химический сигнал, сигнализирующий о необходимости сна. По мере повышения уровня аденозина животное чувствует себя более уставшим. Исследователи предположили, что высокий уровень аденозина в конце ночи отвечает за снижение нейронной активности.

Чтобы проверить это, они вводили крысам препарат DPCPX. Этот препарат действует как антагонист аденозиновых рецепторов A1, эффективно блокируя связывание аденозина с нейронами. Исследователи вводили этот блокатор непосредственно перед восходом солнца и снова регистрировали нейронные реакции.

При блокировании действия аденозина подавление нейронной активности исчезало. Сигналы на восходе солнца становились такими же интенсивными, как и в другое время суток. Этот эксперимент свидетельствует о том, что естественное накопление аденозина во время бодрствования тормозит нейронную возбудимость.

«Наши результаты показывают, что суточные ритмы регулируют баланс между возбудимостью и пластичностью коры головного мозга», — рассказали Икома и Мацуи. «Поскольку уровень аденозина и потребность во сне колеблются в зависимости от циркадных и поведенческих циклов, адаптивность мозга, по-видимому, согласована с этими внутренними ритмами. Эта работа открывает новые возможности понимания того, как мозг координирует потребление энергии, нейронную сигнализацию и способность к обучению в течение дня».

Затем исследование переключилось на метапластичность. Этот термин обозначает способность мозга претерпевать изменения силы синаптических связей. Исследователи использовали другой паттерн стимуляции, состоящий из быстрых повторяющихся световых импульсов, чтобы имитировать процесс обучения.

Они применяли эту «электрическую стимуляцию» как на восходе, так и на закате, чтобы проверить, вызовет ли она долговременную потенциацию. Долговременная потенциация характеризуется стойким усилением синапсов, которое, как считается, лежит в основе хранения памяти. Результаты выявили неожиданный парадокс, связанный с функцией мозга и утомляемостью.

На закате, когда крысы были полны сил и их нейронная возбудимость была высокой, повторяющаяся стимуляция не вызывала значительной пластичности. Нейронные сети оставались относительно стабильными. Однако на рассвете, когда крысы были уставшими и их нейронная возбудимость была низкой, та же стимуляция вызывала мощный долговременный эффект потенциации.

«Мы исследовали, меняется ли метапластический потенциал мозга — лёгкость, с которой синапсы могут модифицироваться, — в зависимости от времени суток», — пояснили исследователи. «Удивительно, но повторяющаяся оптическая стимуляция вызывала усиление, подобное долговременной потенциации, на восходе солнца, но не на закате. Хотя давление сна и усталость достигают пика на восходе солнца, способность мозга к реорганизации своих сетей была наибольшей именно в это время. Это говорит о том, что сама метапластичность подчиняется суточному ритму с определёнными периодами, благоприятствующими обучению и адаптации».

Для людей, ведущих дневной образ жизни, эти данные указывают на иной оптимальный режим, чем для ночных крыс. Аналогом «восхода солнца» для крыс является человеческий вечер, непосредственно перед сном. В это время уровень аденозина у человека обычно наиболее высок после дня активности.

Исследование предполагает, что человеческий мозг может быть наиболее адаптируемым в сумеречный период перед сном. Хотя вечером человек может чувствовать усталость и снижение бдительности, его мозг может быть в состоянии, благоприятном для усвоения новой информации.

«Поскольку крысы ведут ночной образ жизни, восход солнца совпадает с окончанием их активной фазы и началом периода покоя», — отметили Икома и Мацуи. «У людей аналогичное окно, вероятно, приходится на время перед сном, ближе к закату. Таким образом, эти результаты не означают, что обучение лучше всего происходит сразу после пробуждения. Скорее, они указывают на то, что мозг может переходить в состояние, более благоприятное для формирования памяти, по мере накопления усталости к концу активного периода».

Исследователи предполагают, что суточный ритм корректирует баланс между стабильностью и гибкостью коры головного мозга. В начале дня мозг возбудим и готов реагировать на окружающую среду. К концу дня мозг переходит в состояние, благоприятствующее внутренней реорганизации и сохранению памяти.

Как и в любом исследовании, существуют ограничения, которые следует учитывать. Исследование проводилось на зрительной коре, и пока неясно, управляют ли те же ритмы другими областями, такими как гиппокамп или моторная кора. «Необходимы исследования на людях, чтобы определить, влияют ли суточные колебания утомляемости и циркадного ритма на способность к обучению», — заявили исследователи.

Понимание этих ритмов может иметь практическое применение в образовании и реабилитации. Если у мозга есть особые периоды адаптации, то терапию, включающую стимуляцию мозга или тренировку навыков, можно приурочить к этим пикам.

«У подопытных животных изменения в химии мозга и возбудимости можно точно измерить в течение дня», — заявили Икома и Мацуи. «Избирательно изменяя эти факторы, мы стремимся определить, какие компоненты играют наиболее важную роль в формировании суточных колебаний нейронной активности. В будущих исследованиях также будут использоваться различные поведенческие тесты, чтобы определить, какие аспекты обработки информации наиболее чувствительны к влиянию времени суток. Определение наличия аналогичных закономерностей у людей может углубить наше понимание того, как координируются энергетический метаболизм, нейронная сигнализация и способность к обучению в течение дня. В конечном итоге, эти данные могут стать основой для разработки стратегий оптимизации тренировок, реабилитации и когнитивных функций».