Прослежены пути мотивации

 Исследователи из Стенфордского университета установили пути, по которым у крыс передаются сигналы принятия решения от префронтальной коры к моторным зонам мозга.

(Работа опубликована в журнале Nature, а ее краткое содержание можно прочитать на сайте университета.)

Для изучения мотивации и механизма принятия решений на крысах ученые использовали специальный плавательный тест. В ходе эксперимента животных помещали в прозрачный наполненный водой пластиковый стакан с высокими стенками. Обычно животные сначала пытаются из него выбраться, и лишь спустя некоторое время отчаиваются и прекращают что-либо делать (при этом они не тонут). Этот тест обычно используют для измерения эффективности антидепрессантов – подавленные животные прекращают попытки выбраться из стакана гораздо раньше своих жизнерадостных сородичей.

В новом эксперименте авторы считывали активность мозга в то время, пока крысы находились в наполненном стакане. Ранее уже было известно, что в принятии решения (в данном случае – плыть или не плыть) участвуют нейроны, входящие в состав префронтальной коры. Однако, какие именно это нейроны было не понятно – неспецифическое электрическое стимулирование этой зоны никак не влияло на поведение крыс. Это, по словам авторов, говорит о наличии в префронтальной коре как стимулирующих, так и подавляющих целенаправленную активность нейронов.

Чтобы выделить из исследуемой зоны именно те нейроны, который приводят к активным действиям, авторы прибегли к методам оптогенетики. Они подразумевают работу с животными, нейроны которых могут активироваться в ответ на прямое облучение светом с помощью вживленного световода. Этот метод, в отличие от электрической стимуляции, может быть крайне специфичным – то есть стимулировать исключительно исследуемую популяцию нейронов. Используя методы оптогенетики, биологи проследили, какие именно нейроны префронтальной зоны активируют нейроны в стволе мозга и проследили путь, которым идет мотивирующий сигнал. Одним из ключевых пунктов, через которые проходил сигнал, оказался один из ганглиев в стволе (dorsal raphe nucleus), известный как центр выработки серотонина – нейромедиатора, нарушение метаболизма которого связано с депрессией.

Ранее работающие методами оптогенетики нейробиологи показали, что с помощью активации светом отдельных зон мозга макак можно сделать их сообразительнее, то есть существенно улучшить результаты их тестов на мышление. 

В мозгу найден нейрон Мэрилин Монро

Ученые выяснили, как нервные клетки в мозгу человека реагируют при узнавании конкретных персонажей или известных архитектурных памятников. Эксперименты показали, что за восприятие каждого такого объекта отвечает конкретный нейрон. О результатах своих исследования ученые доложили во время встречи Общества по изучению нейронаук, проходящей в Пасадене в Калифорнии.

(Коротко о работе пишет портал Science News.)

Авторы работы пытались выяснить, что происходит в нейронах медиальных отделов височных долей, когда человек видит изображение знакомых ему людей, зданий или мест. Эта зона головного мозга отвечает за память, внимание и восприятие. Считывание активности велось при помощи особых электродов, размещенных на голове добровольцев. На первой стадии эксперимента ученые опрашивали его участников для того, чтобы выяснить, какие знаменитости и достопримечательности им известны.

На следующей стадии опыта исследователи показывали испытуемым фотографии значимых для них объектов, одновременно считывая активность их нервных клеток. В среднем ученые смогли идентифицировать около пяти нейронов, которые активизировались при взгляде на фотографии. Причем на каждый отдельный объект реагировал особый нейрон.

Специалисты решили проверить, насколько хорошо люди способны контролировать активность этих нейронов. Испытуемым предлагались изображения, на которых фотографии двух знаменитостей (например, Мэрилин Монро и Джоша Бролина) были наложены друг на друга. При этом добровольцам предлагалось думать только об одном из изображенных людей. В ответ на активацию "нейрона Мэрилин Монро" ее фото проступало на изображении более отчетливо. При активации "нейрона Джоша Бролина" проступало его фото. Практически все пациенты были способны превратить гибридное изображение в изображение только одного человека менее чем за 10 секунд. Причем после нескольких тренировок люди справлялись с заданием быстрее.

Авторы отмечают, что цель их работы – изучение особенностей восприятия мозгом окружающей действительности. Однако теоретически полученные результаты можно использовать для определения того, о чем приблизительно в данный момент думает человек. Недавно другой коллектив исследователей, используя несколько иную методику, разработал технологию, которая позволяет выяснить, где находится испытуемый, на основании анализа его мозговой деятельности. 

Объяснена привлекательность гармоничных звуков

 Почему гармоничные звуки нравятся людям больше дисгармоничных?

(Описание работы напечатано в журнале Physical Review Letters, а коротко о ней пишет New Scientist.)

Самые приятные для человеческого уха интервалы образуют пары звуков, частоты которых соотносятся в простейших пропорциях вроде 2:1 (октава) или 3:2 (совершенная квинта). В более ранних исследованиях было показано, что такие сочетания звуков нравятся людям независимо от возраста – то есть этот эффект не связан с музыкальным образованием.

Исследователи разработали математическую модель, описывающую, как звуки попадают от уха к мозгу и каким образом при этом возбуждаются соответствующие нейроны. Ученые рассматривали ситуацию, когда два так называемых сенсорных нейрона реагируют на два разных звука. Каждый нейрон при этом посылает электрический сигнал промежуточному нейрону, который, в свою очередь, передает импульс к конечному нейрону-"приемнику" в головном мозгу. В созданной авторами модели промежуточный нейрон "срабатывал" в том случае, когда получал сигнал от одного или от обоих сенсорных нейронов.

В том случае, если человек слышит гармоничные звуки, то сигналы от сенсорных нейронов достигают промежуточного нейрона одновременно, а если дисгармоничные – то в разное время. Нервные клетки устроены так, что после "срабатывания" им необходимо некоторое время на "перезарядку". Соответственно, в случае поступления череды гармоничных звуков возбуждение нейронов происходит через регулярные интервалы, а в случае дисгармоничных промежутки времени между "срабатыванием" промежуточного нейрона оказываются неодинаковыми.

Исследователи также определили количество информации, содержащееся в гармоничных и дисгармоничных парах звуков. Так как случайная последовательность сигналов несет намного меньше информации, чем регулярно чередующаяся последовательность. Соответственно, сигналы, вызываемые гармоничными звуками, более информативны, чем сигналы, спровоцированные негармоничными. Авторы определили информационную "наполненность" сигналов, генерируемых обоими типами пар звуков. По словам исследователей, эта информация может быть прямо использована для проверки их гипотезы на работающих нейронах. 

Заглянуть внутрь работающего мозга мыши...

 Международная группа физиков, химиков и биологов впервые пронаблюдали за работой живых нейронов в голове мыши с рекордным на настоящий момент разрешением – 70 нанометров на пиксель. Статья ученых появилась в журнале Science, а ее краткое изложение приводит Discovery News.

Один из самых популярных методов изучения процессов, происходящих с живыми клетками – это флуоресцентная микроскопия. Сначала ученые встраивают в геном клеток несколько генов, которые отвечают за выработку флуоресцентных белков во время того или иного процесса. При облучении светом белки светятся, причем отличным от исходного света цветом. Как следствие, процессы становятся видимыми.

Основным недостатком подобных методов является то, что их разрешающая способность ограничена половиной длины волны видимого света (это ограничение связано с так называемым дифракционным пределом), то есть 200-300 нанометрами. В рамках новой работы ученым удалось преодолеть эту трудность, используя так называемый метод STED микроскопии, созданный в 1994 году (первое экспериментальное применение – в 1999 году) одним из авторов новой статьи Стефаном Хелом.

Суть метода заключается в том, что изучаемый белок облучается несколькими последовательными лазерными импульсами. Так как затухание свечения в белке происходит, вообще говоря, нелинейно, то компьютерный анализ полученных при каждом облучении картин позволяет проявить более мелкие и наиболее яркие детали. В теории, подобный метод может достигать разрешения в 5-6 нанометров.

Ученые сначала вывели мышей, нейроны которых вырабатывали подходящий флуоресцентный белок. Затем, они просверлили в их черепах отверстия, через которые специальным STED-микроскопом наблюдали за верхним слоем нейронов. В результате им удалось добиться рекордного на настоящий момент разрешения (уже упоминавшихся 70 нанометров на пиксель) и рассмотреть, например, как в реальном времени формируются и распадаются дендритные шипики – мельчайшие детали нейронов. 

Найден "включатель" человеческой памяти

 Синтез белков, необходимый для формирования памяти, контролируется в нейронах с помощью микроРНК.

(Работа нейробиологов из Медицинской Школы Университета Джона Хопкинса опубликована журналом Cell.)

Исследователи обрабатывали выращенные на чашках нейроны необходимым для формирования памяти гормоном BDNF (нейротропный фактор мозга) и смотрели на процессы, происходящие при этом в клетках. Для этого они синтезировали в клетках флюоресцентный краситель, который заставлял светиться скопления микроРНК (относительно недавно открытый класс рибонуклеиновых кислот, которые связываются с матричными РНК и не дают синтезировать с них белки). Это позволило исследователям наблюдать происходящие в нейронах при запоминании процессы с помощью обычного микроскопа.

Оказалось, что в обработанных гормоном нейронах существенно увеличивается число светящихся скоплений, что ведет к увеличению количества микроРНК и, следовательно, блокированию синтеза большей части белков. Однако синтез других, специфических для запоминания, белков как раз необходим для формирования памяти и сильно увеличивается при обработке BDNF. Исследователи установили, что такое переключение белок-синтезирующего аппарата в “режим записи” контролируется как раз теми изменениями, которые происходят с микроРНК.

Было обнаружено, что те микроРНК, число которых возрастает во время запоминания, и скопления которых видны в микроскоп, контролируют белки, не участвующие в формировании памяти и синтез которых необходимо остановить. Молекулы же другого подкласса микроРНК (let-7) исчезают и, следовательно, перестают блокировать синтез белков памяти. Если генетически изменить нейроны так, чтобы они не могли снижать количество микроРНК этого подкласса, они станут неспособны запоминать информацию.

МикроРНК были обнаружены группой исследователей во главе с Виктором Амбросом в 1993 году во время изучения развития круглых червей C. elegans. Эти исследования привели в дальнейшем к открытию огромного числа процессов, контролируемых малыми РНК разных классов – от противовирусной защиты до эмбрионального развития и работы мозга. За открытие класса малых интерферирующих РНК (siRNA) 2006 году Эндрю Файер и Крейг Мелло получили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины. 

Включателем памяти оказались всего несколько нейронов

 Исследователи из Массачусетского технологического института показали, что для вызывания отдельных воспоминаний достаточно активации всего нескольких специфичных нейронов.

(Работа будет напечатана в журнале Nature, с кратким пересказом можно ознакомиться на сайте института.)

Исследователям было известно, какой белок синтезируется в нейронах мышей только при запоминании нового незнакомого пространства, например, лабиринта. Они генетически модифицировали мышей таким образом, чтобы при его синтезе одновременно происходил синтез белка-метки, который встраивался в мембрану таких нейронов. В результате, нейроны, активирующиеся при изучении пространства, у таких мышей оказывались помечены. В качестве меток использовались светочувствительные белки, способные при облучении активировать нервные клетки.

Трансгенных мышей, в мозг которых было встроено оптоволокно, помещали в лабиринт. Они начинали запоминать новую ситуацию и в некоторых нейронах происходил синтез белков памяти, а вместе с ними и белков-меток. Через несколько минут мышам давали разряд тока, чтобы эмоциональная окраска ситуации стала для них неприятной. Спустя длительное время и в совсем другом окружении мозг мышей облучали светом по оптоволокну. При этом происходила активация только тех нейронов, которые несли на своей поверхности белки-метки, то есть тех, которые участвовали в запоминании незнакомого пространства и были “носителями” этой памяти.

Оказалось, что активации этих нескольких нейронов было достаточно, чтобы мыши вспомнили неприятную ситуацию и испугались. Из этого следовало, что для активации воспоминания достаточно возбуждения всего нескольких нейронов. Ученым не удалось бы сделать такой вывод, если бы они использовали классические стимулы-”напоминатели” вроде звука или загорающейся лампочки, так как при этом возбуждается большое количество нейронов, и не понятно, какие из них являются носителями памяти.

По своей концепции эксперимент напоминает проведенный на клеточном уровне классический эксперимент хирурга Уайлдера Пенфилда. Оперируя пациентов с эпилепсией, он проводил электрическую стимуляцию открытого мозга. При этом пациенты, находящиеся в сознании, сообщали о ярких воспоминаниях, которые вызывали у них электростимуляции. 

Облучение мозга сделало макак сообразительнее

Продемонстрировано, что результаты тестов на мышление у приматов можно улучшить методами оптогенетики, активируя нужную область мозга светом.

(Работа опубликована в журнале Current Biology, а ее краткое содержание сообщает NewScientist.)

Макак-резусов обучали следить на экране компьютера за движущимися точками. Животные должны были перевести взгляд на ту точку, которая загоралась ярче остальных. Во время обучения биологи наблюдали за тем, какая область мозга участвует в выполнении задания. Для этого использовали функциональную МРТ, которая показывает активность клеток в различных областях нервной ткани.

Когда авторы установили, какая зона мозга отвечает за обучение, они ввели обезьянам вирус, содержащий ген светочувствительного ионного канала. Под воздействием света такой канал способен вызывать активацию нейрона. Поскольку вирус встраивался только в те клетки, которые находились в найденной зоне мозга, это давало возможность при помощи света избирательно активировать нужные нейроны.

Исследователи заново повторили визуальные тесты с обезьянами. На этот раз перед выполнением задания их мозг облучали светом (для этого использовали тонкое оптическое волокно). Оказалось, что такая активация способна улучшить результаты обезьян не менее чем на 10 процентов. Кроме того, согласно неопубликованным данным, чем задание сложнее, тем этот процент выше.

Ранее ученые показали, что подобные оптогенетические методики можно использовать для изучения памяти. В недавно опубликованной работе исследователи показали, что активатором памяти могут быть всего несколько нейронов. 

Микрочип заставил макак принимать правильные решения

Установлено, что с помощью анализа и выборочной стимуляции мозговой активности можно повысить способность обезьян принимать правильные решения.

(Работа опубликована в журнале Journal of Neural Engineering, а ее краткое содержание приводит сайт физического общества IOP.)

В ходе эксперимента от макак требовалось нажимать правильные кнопки на экране компьютера. На кнопках были представлены различные изображения, среди которых требовалось найти то, которое обезьяна уже видела. Наряду с верным изображением, демонстрировалось также от 1 до 7 альтернативных вариантов. При правильном выполнении задания, животное получало сок. К концу двухлетнего обучения от макак удалось добиться примерно 75 процентной точности ответов.

В основном эксперименте задание было осложнено тем, что способности принимать решения у обезьян были нарушены влиянием кокаина. Из-за этого доля правильных ответов резко падала.

Ученые показали, что эффект кокаина можно нивелировать прямой стимуляцией мозговой активности, осуществляемой посредством вживленных микрочипов. Во время обучения имплантированное электронное устройство снимало электрические и физиологические показания двух областей префронтальной коры мозга приматов – L2/3 и L5. Микрочип записывал данные электрической активности мозга, после чего ученые анализировали информационный обмен между этими зонами.

Поскольку макаки не всегда правильно выполняли задания, исследователям удалось статистически выделить такую электрическую активность, которая характерна именно для принятия правильных решений. Для этого потребовалось использовать специальную многофакторную математическую модель анализа – MIMO.

В ходе самого эксперимента, когда обезьяны находились под влиянием кокаина и не могли принимать правильные решения, ученые стимулировали электрическую активность областей L2/3 и L5. Делалось это на основе того, как вели себя эти области ранее, при принятии правильных решений. Благодаря электронной стимуляции ученым удалось существенно повысить показатели обезьян при выполнения задания.

Ученые надеются, что их работа поможет лучше понять механизм мозговой активности, лежащей в основе принятия решений и найти применение при лечении последствий травм мозга. 

Нейробиологи нашли зону распознавания лиц

 Нейробиологам впервые удалось напрямую доказать, что особая зона на поверхности веретеновидной извилины человека (fusiform gyrus) отвечает исключительно за распознавание лиц.

(Работа опубликована в журнале The Journal of Neuroscience, ее краткое содержание приводит ScienceNow.)

Открытие удалось совершить благодаря счастливой случайности и мужеству согласившегося на эксперимент добровольца.

Рон Блеквелл (Ron Blackwell) с детства страдал приступами эпилепсии и обратился в клинику, когда лекарства, которые он принимал, стали работать менее эффективно. Чтобы помочь Блеквелу, медики решили локализовать участок мозга, который вызывал приступы, а затем хирургически его удалить. Для этого они попытались вызвать приступ при помощи прямой электростимуляции мозга. При этом исследователи случайно натолкнулись на зону, отвечающую за распознавание лиц: во время эксперимента пациент сообщил, что при стимуляции лицо доктора "трансформировалось" в чье-то другое.

С согласия пациента, автор исследования Йозеф Парвизи (Josef Parvizi) провел еще несколько стимуляций и показал, что эта зона мозга действительно занимается только распознаванием лиц и ничем иным. По словам пациента, при стимуляции менялись только черты лица тех, на кого он смотрел. И обстановка, и одежда, и цвет кожи человека и даже отдельные части лица при этом оставались прежними. Во время стимуляции Блеквелл мог по-прежнему нормально читать и говорить. Запись эксперимента авторы приводят в своей статье.

Ранее биологи уже знали, что особая зона на веретеновидной извилине может быть связана с распознаванием лиц. Однако, это были данные корреляции, полученные при помощи функциональной томографии. Эта же зона могла быть вовлечена и в другие процессы. То, что ее стимуляция нарушает только процесс распознавания лиц, было показано впервые. Прямая стимуляция мозга на людях в экспериментальных целях не проводится, а как для такого исследования использовать животных, ученые пока не догадались.

Ранее другая группа исследователей показала, что другая известная зона мозга – зона речи Брока на самом деле представляет из себя две отдельные области, только одна из которых действительно управляет порождением речи.