Науковці з Алленівського інституту детально промапували так зване «блакитне місце» мозку — локус церулеус — і виявили найдовший із коли-небудь виміряних нейронів у миші. Робота, описана у журналі Nature та представлена на ресурсі SciTechDaily, також відкрила нові підказки про те, як мозок навчається та керує увагою.
У поведінкових експериментах миші виконували завдання на вибір. Коли тварини змінювали свою стратегію після негативного результату, активувалися нейрони у верхній частині невеликої ділянки стовбура мозку. А безпосередньо перед тим, як миші ігнорували сигнали, що могли вести до винагороди, швидше спрацьовували нейрони в нижній частині цієї ж структури.
Обидві групи клітин належать до локус церулеус (locus coeruleus, LC) — невеликого скупчення нейронів у стовбурі мозку. Хоча ця зона містить лише крихітну частку всіх клітин мозку, саме вона вивільняє норадреналін (NE) — хімічний посередник, який регулює увагу й навчання, запускає реакцію на стрес чи збудження та впливає на серцевий ритм.
Від «гучномовця» до точної поштової мережі
Тривалий час локус церулеус розглядали як єдиний «гучномовець», що розсилає однаковий сигнал по всьому мозку. У новому дослідженні команда Алленівського інституту поєднала цільове зображення всього мозку, електрофізіологічні записи, генетичні інструменти та поведінкові тести на мишах, щоб з’ясувати, як будова та активність LC пов’язані з досвідом тварини.
За словами керівника напряму нейронної динаміки Карела Свободи (Karel Svoboda), результати показують, що норадреналінова система мозку більше схожа на «адресну поштову мережу», ніж на туманний сигнал, який рівномірно накриває всі ділянки.
Трасування зв’язків виявило чітко розділені шляхи. Нейрони у верхній, дорсальній частині LC здебільшого з’єднувалися з корою великих півкуль і переднім мозком. Натомість клітини в нижній, вентральній частині проєктували до стовбура мозку та спинного мозку. Саме ці маршрути визначають, куди надходять сигнали, що запускають вивільнення норадреналіну.
Карта функцій: навчання проти залученості
Дослідники виконали зображення всього мозку майже для 35 000 нейронів, провели генетичне профілювання близько 400 000 клітин, щоб оцінити активність генів, і повністю реконструювали деякі з найскладніших нейронів. Це дозволило зіставити фізичні зв’язки клітин з їхніми генетичними особливостями та активністю під час поведінки.
З цієї роботи постала чітка функціональна карта: нейрони дорсального LC, що посилають сигнали вгору до кори, залучені до процесів навчання. Натомість нейрони вентральної частини, які проєктують до стовбура та спинного мозку, керують тим, чи буде тварина взагалі взаємодіяти з оточенням. Ці анатомічні відмінності супроводжуються різними патернами експресії генів.
Нейрон-рекордсмен довжиною понад 70 сантиметрів
Повна реконструкція окремих нейронів LC показала, наскільки розгалуженими можуть бути їхні зв’язки. Середня довжина аксона — довгого відростка, що передає сигнали іншим клітинам, — становила близько 35 сантиметрів (приблизно 13,8 дюйма). Один із нейронів досяг довжини 70,32 сантиметра (близько 27,7 дюйма), що робить його найдовшим одиничним нейроном, коли-небудь виміряним у миші.
Як пояснює співавтор дослідження, науковець Алленівського інституту Джеремая Коен (Jeremiah Cohen), цей нейрон, як і багато інших у роботі, постачає норадреналін до дуже великого об’єму кори великих півкуль. Для мозку це нетипово: більшість нейронів мають значно більш вузько спрямовані цілі. Водночас навіть цей гігантський нейрон не покриває все — він оминає мозочок, стовбур мозку та спинний мозок.
Спільна платформа навчання з дофаміном
Спостереження за активністю LC, пов’язаною з навчанням, наштовхнули дослідників на паралелі з дофаміном — іншим ключовим хімічним посередником, що передає сигнали до базальних гангліїв, ділянки мозку, важливої для формування звичок.
Автори пропонують, що норадреналінова та дофамінова системи можуть працювати разом як єдина платформа навчання. Така взаємодія потенційно дозволяє мозку одночасно опановувати кілька складних і абстрактних понять, комбінуючи сигнали про помилки, мотивацію та залученість.
Медикаменти націлюватимуться на конкретні кола
Норадреналін уже є мішенню для поширених препаратів проти депресії, тривоги та СДУГ, а нейрони локус церулеус — одні з перших, що деградують при хворобі Альцгеймера. Тому розуміння внутрішньої організації цієї системи має практичне значення.
Структура LC, описана в мишей, у перспективі може допомогти створювати ліки, які впливатимуть на конкретні ділянки норадреналінової мережі, зменшуючи ризик того, що посилення одних нейронних кіл супроводжуватиметься небажаним пригніченням інших.