Новый инструмент показывает, что происходит в мозге, когда человек учится

Исследователи из Scripps Research разработали новый инструмент для мониторинга пластичности мозга — того, как мозг человека перестраивается и физически адаптируется по мере того, как мы учимся и испытываем различные вещи, от просмотра фильма до разучивания новой песни или языка. Их подход, при котором измеряются белки, вырабатываемые определенными типами клеток мозга, может ответить на основные вопросы о том, как работает мозг, и пролить свет на многие заболевания мозга, при которых пластичность нарушается.

Предыдущие эксперименты в нескольких лабораториях уже показали, как активность мозга стимулирует изменения в экспрессии генов в нейронах, что является ранним этапом пластичности. Эксперименты команды, описанные в журнале Neuroscience, направлены на следующий важный шаг в пластичности — перевод генетического кода в белки.

«Мы все еще не понимаем всех механизмов того, как клетки нашего мозга меняются в ответ на опыт, но этот подход дает нам новое окно в этот процесс», — рассказывает Холлис Клайн, доктор философии, профессор Хан и председатель отделения неврологии в Scripps Research и старший автор новой работы.

Когда вы узнаете что-то новое, происходят две вещи: во-первых, нейроны немедленно передают электрические сигналы по новым маршрутам в мозге. Затем, со временем, это приводит к изменениям в физической структуре клеток и их связей в мозге. Но ученые давно задаются вопросом, что происходит между этими двумя этапами. Как эта электрическая активность нейронов в конечном итоге побуждает мозг к более длительным изменениям? Более того, как и почему эта пластичность уменьшается с возрастом и при некоторых заболеваниях?

Ранее исследователи изучали, как гены в нейронах включаются и выключаются в ответ на активность мозга, надеясь получить представление о пластичности. С появлением технологий высокопроизводительного секвенирования генов отслеживание генов таким образом стало относительно простым. Но большинство этих генов кодируют белки, настоящие рабочие лошадки клеток, уровень которых сложнее контролировать. Но Клайн в тесном сотрудничестве с профессором Скриппса Джоном Йейтсом III, доктором философии, и ассистентом профессора Антоном Максимовым, доктором философии, хотели непосредственно посмотреть, как белки изменяются в мозге.

Команда разработала систему, которая позволяла вводить специально меченую аминокислоту — один из строительных блоков белков — в один тип нейронов за один раз. По мере того как клетки производили новые белки, они включали эту аминокислоту, азидонорлейцин, в свои структуры. Отслеживая, какие белки содержат азидонорлейцин с течением времени, исследователи могли определить новые белки и отличать их от ранее существовавших.

Ученые использовали азидонорлейцин для отслеживания того, какие белки были произведены после того, как мыши испытали большой и широко распространенный всплеск активности мозга, имитирующий то, что происходит в меньшем масштабе, когда мы воспринимаем окружающий мир. Команда сосредоточилась на глутаматергических нейронах коры головного мозга — основном классе клеток мозга, ответственных за обработку сенсорной информации.

После повышения нейронной активности исследователи обнаружили, что в нейронах изменился уровень 300 различных белков. В то время как две трети из них увеличивались во время всплеска активности мозга, синтез оставшейся трети снижался. Анализируя роль этих так называемых «белков-кандидатов пластичности», специалисты смогли получить общее представление о том, как они могут влиять на пластичность. Например, многие белки связаны со структурой и формой нейронов и с тем, как они взаимодействуют с другими клетками. Эти белки подсказали, каким образом активность мозга может сразу же начать влиять на межклеточные связи.

Кроме того, ряд белков связан с тем, как ДНК упакована в клетках; изменение этой упаковки может изменить гены, к которым клетка может получить доступ и использовать их в течение длительного периода времени. Это говорит о том, что очень короткий всплеск мозговой активности может привести к более долгосрочным изменениям в мозге.

Исследователи надеются использовать этот метод для обнаружения и изучения дополнительных белков-кандидатов пластичности, например, тех, которые могут изменяться в различных типах клеток мозга после того, как животные увидят новый визуальный стимул. Клайн отмечает, что их инструмент также может дать представление о заболеваниях и старении мозга, сравнивая, как мозговая активность влияет на производство белков в молодом и старом, здоровом и больном мозге.

Эксклюзивный перевод*

Фото: Pixabay / CC0 Общественное достояние

Поделиться:

Подписывайтесь на краткие, но содержательные новости со всего мира
глазами молодого поколения в Телеграм и ВКонтакте.

Почитайте также

РНФ: древние якуты могли создавать «кладбища мамонтов» для своих нужд

4 Группа ученых из нескольких научных центров России (Института истории материальной культуры РАН и НИИ …