Согласно исследованию, опубликованному в Nature 19 февраля (предварительная онлайн-публикация), новые связи между клетками мозга возникают в кластерах в мозге, когда животные учатся выполнять новую задачу. Исследование, проведенное исследователями из Калифорнийского университета в Санта-Крус, раскрывает детали того, как перестраиваются мозговые цепи во время формирования новых моторных воспоминаний.

Исследователи изучали мышей, когда они учились новому поведению, например, протягивали руку через щель, чтобы получить семя. Они наблюдали изменения в моторной коре, мозговом слое, который контролирует движения мышц, во время процесса обучения. В частности, они следили за ростом новых "дендритных шипов", структур, которые формируют связи (синапсы) между нервными клетками.

"Впервые мы можем наблюдать пространственное распределение новых синапсов, связанных с кодированием памяти", - сказал И Цзо, доцент кафедры молекулярной, клеточной биологии и биологии развития в Калифорнийском университете Санта-Крус и соответствующий автор статьи.

В предыдущем исследовании Цзо и другие задокументировали быстрый рост новых дендритных шипов на пирамидных нейронах в моторной коре во время процесса обучения. Эти шипы образуют синапсы, где пирамидальные нейроны получают информацию от других областей мозга, участвующих в моторных воспоминаниях и мышечных движениях. В новом исследовании первый автор Мин Фу, аспирант лаборатории Цзо, проанализировал пространственное распределение вновь образованных синапсов.

Первоначальные результаты пространственного анализа показали, что одна треть вновь образованных синапсов была расположена рядом с другим новым синапсом. Эти кластерные синапсы, как правило, формировались в течение нескольких дней в течение периода обучения, когда мышь неоднократно выполняла новое поведение. По сравнению с некластерными аналогами, кластерные синапсы с большей вероятностью сохранялись во время учебных занятий и после прекращения обучения.

Кроме того, исследователи обнаружили, что после формирования второго корешка в кластере первый корешок стал больше. Размер головки позвоночника коррелирует с силой синапса. "Мы обнаружили, что образование второго соединения коррелирует с усилением первого соединения, что говорит о том, что они, вероятно, задействованы в одной и той же схеме", - сказал Цзо. "Кластеризация синапсов может способствовать увеличению прочности связей".

Другая часть исследования также подтвердила идею о том, что кластеризованные синапсы участвуют в нейронных цепях, специфичных для изучаемой задачи. Исследователи изучали мышей, обученных сначала одной задаче, а затем другой задаче. Вместо того, чтобы хватать семечко, мышам пришлось научиться обращаться с кусочком пасты капеллини. Обе задачи вызывали образование кластерных шипов, но шипы, образовавшиеся во время изучения разных задач, не группировались вместе.

Исследователи также смотрели на мышей, которым каждый день ставили новые двигательные задачи, но они не повторяли одну и ту же задачу снова и снова, как те, кого обучали захватывать семена или обрабатывать капеллини. У этих мышей также выросло много новых дендритных шипов, но немногие из новых шипов были сгруппированы.

"Повторяющаяся активация одной и той же кортикальной цепи действительно важна для изучения новой задачи", - сказал Цзо. "Но какова оптимальная частота повторения? В конечном счете, изучая взаимосвязь между формированием синапсов и обучением, мы хотим найти наилучший способ вызвать новые воспоминания".

В исследовании использовались мыши, которые были генетически изменены для выработки флуоресцентного белка в определенных нейронах моторной коры. Исследователи использовали специальную технику микроскопии (двухфотонную микроскопию) для получения изображений этих нейронов вблизи поверхности мозга. Неинвазивный метод визуализации позволил им увидеть изменения в отдельных клетках мозга мышей до, во время и после обучения новому поведению.