Ая Такеока из Центра наук о мозге RIKEN (CBS) в Японии и его коллеги обнаружили нейронные цепи в спинном мозге, которые позволяют осуществлять независимое от мозга двигательное обучение. Исследование, опубликованное в журнале Science, выявило две критические группы нейронов спинного мозга: одна необходима для нового адаптивного обучения, а другая — для вспоминания адаптаций после того, как они были изучены. Полученные результаты могут помочь ученым разработать способы содействия восстановлению двигательных функций после травмы спинного мозга.
Ученым уже давно известно, что двигательную активность спинного мозга можно регулировать с помощью практики даже без головного мозга. Наиболее ярко это было продемонстрировано на безголовых насекомых, чьи ноги все еще можно научить избегать внешних сигналов. До сих пор никто не выяснил, как именно это возможно, и без этого понимания явление является не более чем причудливым фактом.
Как объясняет Такеока: «Понимание основного механизма имеет важное значение, если мы хотим понять основы автоматизма движений у здоровых людей и использовать эти знания для улучшения восстановления после травмы спинного мозга».
Прежде чем заняться нейронными схемами, исследователи сначала разработали экспериментальную установку, которая позволила им изучить адаптацию спинного мозга мышей, как обучение, так и запоминание, без участия мозга. В каждом тесте участвовали экспериментальная мышь и контрольная мышь, задние лапы которой свободно свисали. Если задняя нога экспериментальной мыши слишком сильно опускалась вниз, она подвергалась электрической стимуляции, имитируя то, чего мышь хотела бы избежать. Контрольная мышь одновременно получала такую же стимуляцию, но не связанную с положением ее собственных задних ног.
Всего через 10 минут они наблюдали двигательное обучение только у экспериментальных мышей; их ноги оставались высоко поднятыми, избегая любой электрической стимуляции. Этот результат показал, что спинной мозг может ассоциировать неприятное ощущение с положением ноги и адаптировать свою двигательную активность так, чтобы нога избегала неприятных ощущений, и все это без какой-либо помощи головного мозга. Двадцать четыре часа спустя они повторили 10-минутный тест, но поменяли местами экспериментальных и контрольных мышей. Первоначальные экспериментальные мыши все еще держали ноги поднятыми, что указывает на то, что спинной мозг сохранил память о прошлом опыте, что мешало новому обучению.
Таким образом, установив в спинном мозге как непосредственное обучение, так и память, команда затем приступила к изучению нейронных цепей, которые делают возможным и то, и другое. Они использовали шесть типов трансгенных мышей, каждый с разным набором отключенных спинальных нейронов, и протестировали их на двигательное обучение и обратное обучение. Они обнаружили, что задние конечности мышей не адаптировались, чтобы избежать ударов электрическим током после того, как нейроны верхней части спинного мозга были отключены, особенно те, которые экспрессируют ген Ptf1a.
Когда они исследовали мышей во время обратного обучения, они обнаружили, что замалчивание нейронов, экспрессирующих Ptf1a, не имело никакого эффекта. Вместо этого решающее значение имела группа нейронов в нижней, вентральной части спинного мозга, которые экспрессируют ген En1 . Когда эти нейроны замолчали на следующий день после обучения избеганию, спинной мозг вел себя так, как будто они никогда ничему не учились. Исследователи также оценивали запоминание памяти на второй день, повторяя начальные условия обучения. Они обнаружили, что у мышей дикого типа задние конечности стабилизировались и переходили в положение избегания быстрее, чем в первый день, что указывает на припоминание. Возбуждение нейронов En1 во время воспроизведения увеличило эту скорость на 80%, что указывает на улучшение моторного воспоминания.
«Эти результаты не только бросают вызов преобладающему представлению о том, что двигательное обучение и память ограничиваются исключительно цепями головного мозга, — говорит Такеока, — но мы показали, что мы можем манипулировать памятью движений спинного мозга, что имеет значение для терапии, предназначенной для улучшения восстановления после спинальной травмы».
