Исследование Калифорнийского университета в Сан-Диего позволяет достичь контроля над разумом путем стимуляции нейронов

Когда мы учимся выполнять новые движения, наш мозг запоминает детали по мере того, как мы осваиваем новую задачу.

От маленького ребенка, который учится играть на пианино, до начинающего игрока в пиклбол, знакомящегося с игрой веслом, наш мозг записывает паттерны неврологической активности по мере того, как мы приобретаем новые двигательные навыки.

Ранее нейробиологи задокументировали различимые закономерности активности моторной коры головного мозга, возникающие, когда мы изучаем такие специфические движения. Но остаются неясными аспекты, в том числе, отвечают ли такие паттерны за создание движения или они просто отражают движения, вызываемые другими областями мозга. Кроме того, генерируется ли паттернированная активность в моторной коре или наследуется откуда-то еще?

У ученых Калифорнийского университета в Сан-Диего теперь есть ответ. Изучая мышей, исследователи использовали передовые оптические методы и другие методы для беспрецедентного детального анализа деятельности мозга. Исследователи выделили конкретную область, ответственную за вновь изученные движения, и стимулировали несколько нейронов там, чтобы произвести движение, что привело к своеобразному «чтению мыслей» и «контролю над разумом» посредством записи и стимуляции нейронов.

Мы обнаружили, что кратковременная активация всего лишь около 20 тщательно отобранных нейронов в моторной коре может вызвать более широкую структуру мозговой активности, связанную с выученным движением, и во многих случаях вызвать само выученное движение. Учитывая, что мозг мыши содержит около 70 миллионов нейронов, удивительно, что такая небольшая стимуляция может управлять специфической крупномасштабной мозговой деятельностью и поведением».

Такаки Комияма, старший автор, профессор факультетов нейробиологии (школа биологических наук) и нейронаук (медицинская школа) Калифорнийского университета в Сан-Диего

Исследование, опубликованное в журнале ПриродаЕго возглавил аспирант биологических наук Цию Чен, и он основан на исследовании, проведенном Ан Ву, помощником научного сотрудника лаборатории Комиямы, который трагически погиб во время пожара в Монреале в 2023 году.

В ходе исследования ученые применили комбинацию передовых исследовательских методов, включая двухфотонную визуализацию кальция для сверхточной визуализации активности мозга, а также голографический оптогенетический метод для стимуляции нейронов. Передовые методы позволили исследователям проводить эксперименты по «чтению» активности мозга и «записыванию» определенных шаблонов вплоть до уровня отдельных клеток, что позволило им контролировать движение.

Записывая сигналы мозга мышей, изучающих новые движения, исследователи предположили, что активность, выявленная в нейронах, демонстрирующих повышенный уровень активности непосредственно перед тем, как животные совершают движение, или «нейронах с ранним началом», инициирует вновь изученное движение. Авторы проверили, может ли искусственная стимуляция этих нейронов вызвать выученные движения.

«Мы заметили, что стимуляция нейронов с ранним началом может вызвать движения», — подтвердили исследователи в исследовании. Кроме того, они обнаружили, что успех выполнения выученного движения зависел от состояния моторной коры непосредственно перед стимуляцией и от того, была ли испытуемая мышь занята выполнением поставленной задачи.

«Новые технологии позволили нам считывать активность сотен нейронов и записывать в нее новую активность, чтобы мы могли контролировать эту активность», — сказал Чен. «Это дает нам возможность наблюдать за активностью нейронов во время определенного поведения. Мы можем определить функциональные свойства нейронов, а затем отслеживать их, выборочно стимулируя нейроны по нашему выбору».

Исследования продолжаются в лаборатории Комиямы, где реализуется следующий проект, целью которого является изучение связей между ключевыми нейронами. Они хотели бы узнать, как нейроны «разговаривают» друг с другом, производя выученные движения.

Такие исследования однажды могут помочь в лечении различных заболеваний, поскольку ученые разрабатывают интерфейсы «мозг-компьютер», которые помогут пациентам с инсультом и параличом. Изучение того, как координируются нейроны, связанные с движением, может в конечном итоге помочь выявить определенные движения для повседневной деятельности. Кроме того, способность запечатлевать определенную активность в мозге может быть использована в будущем для содействия обучению и восстановлению памяти.