Ученые научились управлять физическими движениями, активируя 20 клеток в мозге

Фото из открытых источников

Ученые обнаружили, что для запуска выученных движений достаточно активации всего 20 крошечных клеток головного мозга. Этот прорыв в конечном итоге может помочь в лечении пациентов с инсультом и параличом. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Изучение теннисной подачи или фортепианной гаммы оставляет след в мозге. Это паттерн активности, который воспроизводится в двигательной коре головного мозга каждый раз, когда выполняется движение. Действительно ли эта закономерность порождает движение, или же она просто повторяет приказы, отданные где-то ещё? Учёные спорят об этом уже много лет.

Нейробиологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего смогли активировать около 20 нейронов моторной коры головного мозга мыши с помощью света. Полностью усвоенный паттерн распространился на окружающие клетки, и во многих экспериментах мышь выполняла движение, которому её обучали.

«Мы обнаружили, что кратковременная активация всего лишь около 20 тщательно отобранных нейронов в моторной коре головного мозга может запустить более широкий паттерн мозговой активности, связанный с выученным движением», — сказал ведущий автор исследования профессор Такаки Комияма. Во многих случаях это также приводило к самому выученному движению.

Профессор Комияма руководит лабораторией в Школе биологических наук и медицинской школе университета. «Учитывая, что мозг мыши содержит приблизительно 70 миллионов нейронов, удивительно, что такая небольшая стимуляция может вызывать специфическую крупномасштабную активность мозга и поведение», — добавил он.

Каждая мышка научилась хватать маленький рычажок и, когда раздавался звук, нажимать на него и удерживать в течение одной секунды, чтобы получить каплю воды. После двух недель ежедневных тренировок животные стали экспертами, получая награду в большинстве случаев и каждый раз нажимая на кнопку одним и тем же способом. Затем команда записала мозг 14 из них во время работы.

Вирус одновременно снабдил нейроны внешнего слоя двигательной коры головного мозга двумя инструментами. Один из них — краситель, который светится, когда клетка активируется. Другой — светочувствительный белок, который заставляет клетку активироваться по команде.

Двухфотонный микроскоп считывал свечение примерно 550 нейронов за сеанс на трех разных глубинах. Затем второй лазер, формируемый голографическим проектором, мог воздействовать на любую выбранную группу этих клеток, по одной клетке за раз.

В ходе 27 сеансов исследования с участием 14 779 нейронов примерно 30 процентов клеток активизировались во время нажатия кнопки, а около 16 процентов затихли. Меньшая группа нейронов, примерно 13 процентов от общего числа нейронов в ходе сеанса, активировалась непосредственно перед началом движения рычага, и команда назвала их нейронами раннего активации.

Тест был простым. В 30 процентах случайных испытаний звук не воспроизводился. Вместо этого 3-миллисекундная вспышка света одновременно воздействовала примерно на 20 нейронов на ранней стадии развития, и вода не предлагалась независимо от того, нажимала ли мышь на кнопку.

Мыши всё равно нажимали, причём гораздо чаще, чем в экспериментах без звука и света. Примерно половина нажатий, вызванных светом, точно соответствовала отработанному движению, что оценивалось как корреляция выше 0,5 с собственным отработанным нажатием мыши.

Добровольные нажатия показали лучшие результаты, медианное значение составило 0,785 против 0,455, поэтому вспышка была сильным, но несовершенным триггером. Наиболее важный процесс происходил в ячейках, которые лазер не затрагивал.

Нейроны, которые обычно поднимались или опускались во время произвольного нажатия, поднимались или опускались таким же образом и после вспышки. Двадцать синхронизированных клеток, не имеющих собственной временной закономерности, запустили сеть, которая заполнила оставшуюся часть, подобно тому, как несколько нот создают мелодию.

Любой толчок мог вызвать такой эффект, поэтому команда провела тот же эксперимент на нейронах с поздним началом активности, то есть примерно на 14 процентах клеток, активность которых начинается после начала нажатия.

Двадцать таких импульсов, предъявленных одинаковым образом, привели к нажатиям в гораздо меньшем количестве попыток. Те нажатия, которые все же произошли, были менее похожи на тренированные, и импульс задействовал меньшую долю окружающих нейронов.

Оба типа нажатий, срабатывающих от света, начинались быстрее, чем произвольные. Это подтверждает идею о том, что лазер пропускал обычную цепочку от звука к принятию решения и к движению. Нажатия на кнопки с поздним запуском вспышки происходили быстрее всех, что указывает на то, что версия с ранним запуском выполняла дополнительные вычисления до того, как рычаг сдвинулся с места.

Почему одна и та же вспышка срабатывала в одних случаях и не срабатывала в других? Ответ кроется в полсекунды перед зажиганием. Когда активность коры головного мозга непосредственно перед вспышкой уже напоминала ее состояние перед правильным произвольным нажатием, вспышка с большей вероятностью приводила к точному результату. То же самое наблюдалось и в произвольных экспериментах, где состояние перед сигналом предсказывало качество движения.

Декодер, обученный на 80 процентах добровольных испытаний, мог считывать траекторию движения рычага по активности популяции в контрольных испытаниях, и он показал еще лучшие результаты в испытаниях, запускаемых светом.

В описании авторов, для освоения движения необходимы две вещи. Моторная кора головного мозга должна находиться в правильном состоянии, и правильный небольшой набор клеток должен получить первый импульс. Когда присутствуют оба компонента, кора головного мозга генерирует паттерн, управляющий движением.

Всё это происходит у мышей, в одном слое одного участка мозга, в течение первых нескольких недель обучения. Другие части нервной системы, включая спинной мозг, играют свою роль в отработанном движении.

Более ранние исследования той же лаборатории показали, что месяцы дополнительной практики могут сделать навык независимым от моторной коры головного мозга. Таким образом, результат описывает стадию обучения, а не постоянное состояние.

Команда также написала, что, согласно полученным данным, нельзя исключить возможность завершения паттерна посредством петель к более глубоким структурам, таким как таламус. Кроме того, флэш-навигатор обеспечивал верные нажатия лишь примерно в половине случаев. Следующий проект в лаборатории — составить карту того, как клетки, появившиеся на ранней стадии развития, соединяются с нейронами, которые они привлекают.

В долгосрочной перспективе наибольший интерес представляют интерфейсы «мозг-компьютер» для людей с параличом или инсультом. В этом случае знание того, на какие именно клетки следует воздействовать и когда, будет иметь первостепенное значение. На данный момент демонстрация включает 20 ячеек, один рычаг и мышь, которая запомнила, как нажимать на него.