Биологи научились создавать искусственные нейронные ансамбли памяти

Ученые из Колумбийского университета впервые продемонстрировали экспериментальное создание нейронных ансамблей — групп клеток, функционирование которых лежит в основе процессов обучения. Статья опубликована в журнале Science.

Целью работы было искусственное создание совместно работающих ансамблей нейронов в коре головного мозга. Такие ансамбли представляют собой группы нейронов с сильными синаптическими связями, которые возбуждаются почти синхронным образом. Кортикальные ансамбли возбуждаются в ответ на сенсорные или двигательные стимулы и, судя по всему, являются непосредственными «строительными блоками» памяти — иными словами, составляют физиологический субстрат энграммы, или следа памяти.

Для создания нейронных ансамблей авторы использовали технологию оптогенетики, которая позволяет произвольно активировать популяции нервных клеток с помощью облучения мозга светом определенной волны. При этом под действием вспышки света возбуждаются только те клетки, которые несут светочувствительные рецепторы, искусственно встроенные в их мембрану. Обычно при этом подопытному животному делается «окошко» в черепе, через которое вводится световод или объектив микроскопа (он позволяет как проводить облучение, так и записывать данные). В новой работе, однако, ученые могли возбуждать не только популяции нейронов, но даже отдельные нервные клетки — для этого использовался более точный (двухфотонный) метод облучения. За активностью нейронов при этом наблюдали c помощью специальных флюоресцентных белков, которые «загораются» при возбуждении клетки.

Оказалось, что многократная искусственная активация нейронных популяций позволяет создать стабильные группы клеток с сильными синаптическими связями — нейронные ансамбли. Эти ансамбли не нарушают целостности других, естественно формирующихся ансамблей клеток — например таких, что реагируют на какой-то определенный визуальный стимул. Искусственные нейронные ансамбли сохраняются в течение многих дней, после чего их можно реактивировать, не нарушая при этом целостности других ансамблей. Кроме того, оказалось, что весь искусственный нейронный ансамбль можно активировать целиком, простимулировав всего одну клетку из его состава.

Флюоресценция нейронов визуальной коры мыши ­- на правой части отмечены нейроны, входящие в состав искусственного ансамбля. Carrillo-Reid, L., et al., Science, 2016

Авторы статьи рассматривают свою работу как подтверждение классической гипотезы о природе обучения нейронов, предложенной в 1949 году известным канадским физиологом Дональдом Хеббом (Donald Hebb). Согласно этой гипотезе, известной сегодня как теория (правило) Хебба, одновременная активация группы нейронов приводит к образованию нейронных ансамблей, которые являются основной памяти. В более современных терминах, правило Хебба описывает базовый механизм синаптической пластичности, согласно которому «сила» синапса, то есть вероятность передачи через него возбуждения, увеличивается в ответ на многократную активацию постсинаптической клетки. Несмотря на популярность теории Хебба, экспериментальное создание таких нейронных ансамблей до сих пор никому не удавалось.

Ранее было показано, что ингибирование нейронов, входящих в нейронный ансамбль (то есть составляющих энграмму), позволяет заблокировать процесс воспоминания. Иными словами, отключение нейронов энграммы позволяет прицельно «стирать» память о конкретных событиях. В другом исследовании было продемонстрировано, что воздействуя методами оптогенетики на нейронные ансамбли, кодирующие приятные воспоминания, можно искусственно вызывать у мышей эти воспоминания. Более того, такие искусственно вызванные воспоминания оказались способны избавить мышей от последствий хронического стресса и депрссии.