Айя Такеока из Центра науки о мозге RIKEN в Японии и ее коллеги обнаружили нейронную схему в спинном мозге, которая обеспечивает независимое от мозга моторное обучение. Исследование, опубликованное в журнале Science, обнаружило две важнейшие группы нейронов спинного мозга, одна из которых необходима для нового адаптивного обучения, а другая – для запоминания адаптаций после того, как они были усвоены. Полученные результаты могут помочь разработать способы восстановления двигательной активности после травмы спинного мозга, сообщает научное издание EurekAlert!.
Ученые уже давно знают, что двигательная активность спинного мозга может быть скорректирована с помощью практики даже без участия мозга. Наиболее наглядно это было продемонстрировано на примере безголовых насекомых, чьи ноги можно обучить избегать внешних сигналов. До сих пор никто не выяснил, как именно это возможно, а без этого понимания феномен остается не более чем причудливым фактом. Как объясняет Такеока, «понимание основного механизма очень важно, если мы хотим понять основы автоматизма движений у здоровых людей и использовать эти знания для улучшения восстановления после травмы спинного мозга».
Прежде чем приступить к изучению нейронных схем, исследователи разработали экспериментальную установку, которая позволила изучать адаптацию спинного мозга мышей, как обучение, так и запоминание, без участия мозга. В каждом тесте участвовали экспериментальная и контрольная мыши, чьи задние лапы свободно болтались. Если задняя лапа экспериментальной мыши опускалась слишком сильно, ее стимулировали электрическим током, имитируя то, чего мышь хотела бы избежать. Контрольная мышь получала такую же стимуляцию, но без привязки к положению ее задней лапы.
Спустя всего 10 минут наблюдалось обучение двигательным навыкам только у подопытных мышей: их лапки оставались высоко поднятыми, избегая электрической стимуляции. Этот результат показал, что спинной мозг может связать неприятные ощущения с положением ноги и адаптировать свою двигательную активность таким образом, чтобы конечность избегала неприятных ощущений, причем без участия мозга. Сутки спустя ученые повторили 10-минутный тест, но поменяли местами подопытных и контрольных мышей. Подопытные мыши по-прежнему не поднимали ноги, что свидетельствует о том, что в спинном мозге сохранилась память о прошлом опыте.
Установив таким образом, что в спинном мозге есть как непосредственное обучение, так и память, команда исследователей приступила к изучению нейронной схемы, которая делает возможным и то, и другое. Ученые использовали 6 типов трансгенных мышей, у каждой из которых был отключен различный набор спинномозговых нейронов, и протестировали их на способность к моторному обучению и отмене обучения. Было обнаружено, что задние конечности мышей не адаптировались к избеганию электрических ударов после отключения нейронов в верхней части спинного мозга, особенно тех, которые экспрессируют ген Ptf1a.
«Результаты не только опровергают бытующее мнение о том, что моторное обучение и память ограничены исключительно мозговыми цепями. Также мы показали, что можем манипулировать двигательной памятью спинного мозга, что имеет значение для терапии, направленной на улучшение восстановления после повреждения спинного мозга», – говорит Такеока.
[Фото: RIKEN]