Айя Такеока из Центра изучения мозга RIKEN (CBS) в Японии и ее коллеги обнаружили нейронную цепь в спинном мозге, которая обеспечивает функцию моторной памяти независимо от мозга. Исследование,опубликованноев журнале Science, обнаружило две важнейшие группы нейронов спинного мозга: одна необходима для нового адаптивного обучения, а другая — для запоминания адаптационных навыков после того, как они были усвоены. Полученные результаты могут помочь ученым разработать способы восстановления двигательной активности пациентов с травмами позвоночника.
Ученым уже давно известно, что двигательная активность спинного мозга может регулироваться с помощью обучения даже без участия головного мозга. Наиболее наглядно это было продемонстрировано на примере обезглавленных насекомых, чьи ноги все еще можно обучить избегать внешних сигналов.
До сих пор не удавалось выяснить, как именно это происходит, а без такого понимания феномен оставался не более чем любопытным фактом. Как объясняет Такеока, «понимание основного механизма очень важно, если мы хотим понять основы автоматизма движений у здоровых людей и использовать эти знания для реабилитации пациентов с травмами позвоночника».
Прежде чем перейти к изучению нейронных связей, исследователи разработали экспериментальную установку, которая позволила им изучить процесс адаптации спинного мозга мыши. Под процессом понимается как обучение, так и запоминание без участия головного мозга.
В каждом тесте участвовали экспериментальная и контрольная мыши, чьи задние лапы свободно свисали. Если задняя лапа экспериментальной мыши опускалась слишком низко, она получала электрическую стимуляцию, импульс, которого мышь хотела бы избежать. Контрольная мышь получала такую же стимуляцию в то же время, но без привязки к положению ее задней лапы.
Уже через 10 минут наблюдались результаты моторного обучения, но только у подопытных мышей: их лапки оставались высоко поднятыми, избегая электрической стимуляции. Этот результат показал, что спинной мозг может ассоциировать неприятные ощущения с положением ног и адаптировать свою двигательную активность таким образом, чтобы избежать неприятных ощущений. И все это без участия мозга.
Двадцать четыре часа спустя они повторили 10-минутный тест, но поменяли местами подопытных и контрольных мышей. Подопытные мыши по-прежнему не поднимали ноги, то есть в спинном мозге сохранилась память о прошлом опыте, который мешал новому обучению.
Установив таким образом, что в спинном мозге происходит как непосредственное обучение, так и формирование памяти, команда исследователей приступила к изучению нейронной цепи, которая обеспечивает эти функции.
Они использовали шесть видов трансгенных мышей, у каждой из которых был отключен разный набор спинальных нейронов, и протестировали их на способность к формированию моторной памяти, а затем — к обратному обучению. Было установлено, что задние конечности мышей не адаптировались для избегания электрических разрядов после отключения нейронов в верхней части спинного мозга, особенно тех, которые экспрессировали ген Ptf1a.
Когда ученые исследовали мышей в ходе обратного обучения, то обнаружили, что отключение нейронов, экспрессирующих Ptf1a, не дало никакого эффекта. Вместо этого критически важной оказалась группа нейронов в нижней, вентральной, части спинного мозга, которые экспрессируют ген En1. Когда эти нейроны были отключены на следующий день после обучения навыку избегания стимуляции, спинной мозг вел себя так, как будто он никогда ничему не учился.
На второй день исследователи также проверили память, повторив условия первоначального обучения. Они обнаружили, что у мышей контрольной группы задние конечности стабильно достигали положения избегания быстрее, чем в первый день, что свидетельствует о способности к запоминанию. Возбуждение нейронов En1 во время обучения увеличивало эту скорость на 80%, что свидетельствует об улучшении моторной памяти.
«Эти результаты не только опровергают бытующее мнение о том, что моторика и память ограничены исключительно мозговыми процессами, — говорит Такеока. — Мы показали, что можем манипулировать моторной памятью спинного мозга, что имеет значение для терапии, направленной на его восстановление после повреждения».
Химические вещества, содержащиеся в обычных бытовых дезинфицирующих средствах, клеях и мебельном текстиле, могут повреждать опорные клетки мозга на критических этапах их развития, говорится в новом исследовании, проведенном на культурах клеток человека и мышей. Эрин Кон, молекулярный биолог из Университета Кейс Вестерн Резерв в Огайо, и ее коллеги выделили два класса химических веществ, которые в лабораторных условиях либо убивали, либо останавливали рост клеток.