Нейробіологи з Університету Каліфорнії в Сан-Дієго показали, що для запуску вивченого руху достатньо коротко активувати всього близько 20 ретельно відібраних нейронів у моторній корі. Про це йдеться в роботі, опублікованій у журналі Nature і описаній на ресурсі Newswise Science News.
Результати дають відповідь на давнє питання: чи є характерні «візерунки» активності мозку справжнім контролером вивчених рухів, чи лише пасивним відображенням команд, що надходять з інших ділянок мозку.
Як мозок зберігає вивчені рухи
Коли ми опановуємо нову дію — від гри на піаніно до складного спортивного руху — у моторній корі формуються стійкі патерни активності нейронів. Раніше вчені вже фіксували такі відмінні візерунки, але залишалося незрозумілим, чи саме вони генерують рух, чи лише супроводжують його.
Команда під керівництвом професора Такакі Коміями (Takaki Komiyama) досліджувала це на мишах, які навчалися новим моторним навичкам. Вони відстежували активність нейронів у моторній корі під час виконання вивченого руху та шукали клітини, що «вмикаються» трохи раніше за сам рух.
Такі клітини дослідники назвали нейронами з раннім початком активності — «early-onset neurons». Саме вони, за їхньою гіпотезою, мають ініціювати вивчений рух.
«Читання» і «запис» активності мозку
Щоб перевірити цю ідею, вчені поєднали кілька передових методів. Вони застосували двофотонну кальцієву візуалізацію, яка дозволяє з надвисокою точністю бачити активність окремих нейронів, а також голографічну оптогенетику — технологію, що дає змогу вибірково вмикати конкретні нейрони світлом.
Це дало змогу не лише «читати» активність сотень нейронів під час виконання руху, а й «записувати» в мережу штучні візерунки, стимулюючи обрані клітини. Таким чином дослідники могли спершу визначити функціональні властивості нейронів, а потім цілеспрямовано активувати саме ті, які їх цікавлять.
Команда виявила, що коротка активація приблизно 20 спеціально відібраних нейронів у моторній корі здатна запустити ширший патерн активності, пов’язаний із вивченим рухом, і в багатьох випадках викликати сам рух.
З огляду на те, що мозок миші містить близько 70 мільйонів нейронів, така чутливість до стимуляції невеликої групи клітин виявилася несподіваною. Це свідчить, що ключові елементи моторної програми можуть бути зосереджені в дуже компактних підмережах.
Важлива роль стану мозку
Дослідники також з’ясували, що успіх штучного запуску руху залежав від стану моторної кори безпосередньо перед стимуляцією та від того, наскільки миша була залучена до завдання. Тобто навіть точна активація «правильних» нейронів не завжди гарантувала рух — важливим виявився загальний контекст роботи мозку.
Це підкреслює, що вивчені рухи не є результатом роботи лише кількох клітин, а залежать від ширшої мережі та поточного функціонального стану всієї системи.
Можливі застосування та подальші кроки
Робота була розпочата науковицею Ан Ву (An Wu), асистенткою проєкту в лабораторії Коміями, яка трагічно загинула у пожежі в Монреалі у 2023 році. Автори присвятили публікацію її батькам і згадують її внесок у дослідження.
Зараз команда продовжує вивчати, як саме ключові нейрони пов’язані між собою і як вони «спілкуються», щоб разом формувати вивчені рухи. Розуміння цієї мережі може стати основою для майбутніх технологій мозково-комп’ютерних інтерфейсів.
У перспективі такі знання можуть допомогти розробляти методи відновлення рухів у людей після інсульту чи паралічу, а також підходи до покращення навчання та відновлення пам’яті шляхом цілеспрямованого «відбиття» потрібних патернів активності в мозку. Водночас нинішні результати отримані на тваринах і є фундаментальними, тож до практичних застосувань ще далеко.