Нейронные загадки: как учатся разные части одного нейрона?

Разные части одного нейрона учатся по-разному, выяснили в исследовании.
Новое исследование, опубликованное в журнале Science, показало, что нейроны в мозге не следуют единой стратегии обучения. Вместо этого разные части одного нейрона – его верхние и нижние ответвления – корректируют свои связи, используя разные правила. Эта находка бросает вызов традиционному представлению о том, что каждый нейрон придерживается одного правила обучения, и предполагает, что нейроны могут быть более гибкими в том, как они обрабатывают и хранят информацию.

Обучение часто предполагает модификацию силы связей между нейронами, что называется синаптической пластичностью. Однако ученые до сих пор не полностью понимают, как мозг выбирает, какие связи усиливать или ослаблять. Этот вопрос, иногда называемый «проблемой назначения кредита», важен, поскольку только правильные изменения в нужное время приведут к эффективному обучению.

«Способность нашего мозга адаптироваться и учиться на опыте является основополагающей для изменения нашего поведения, позволяя выживать и добиваться успеха в постоянно меняющихся условиях жизни. В то же время некоторые опыты могут негативно сказываться на нашем мозге и приводить к поведенческим дефицитам, как это происходит при зависимости, депрессии и ПТСР. Поэтому понимание того, как наши мозги способны адаптироваться, критически важно не только для общего понимания обучения, но и имеет клинические последствия», - отметил автор исследования Уильям (Джейк) Райт, постдокторский исследователь в лаборатории Такаки Комиямы в Университете Калифорнии в Сан-Диего.

«Изменения в синаптических связях между нейронами, которые являются способом взаимодействия нейронов друг с другом, считаются основой обучения, ведь они изменяют, как информация протекает через мозг. Для того чтобы этот процесс «синаптической пластичности» привел к обучению, правильные синаптические связи должны претерпеть правильные изменения в нужное время. Однако пока неясно, как мозг выбирает, какие синапсы изменить во время обучения, и это была цель нашего исследования».

Чтобы исследовать, как нейроны корректируют свои связи во время обучения, ученые обучали мышей выполнять двигательную задачу. В задаче мыши научились нажимать рычаг в ответ на сигнал тона, чтобы получить воду в награду. В процессе практики в течение двух недель мыши становились более быстрыми и устойчивыми, показывая, что они освоили задачу. Предыдущие исследования показали, что подобное моторное обучение приводит к изменениям в моторной коре мозга, особенно в типе нейронов, называемых пирамидальными нейронами слоя 2/3.

Исследователи сосредоточились на этих нейронах и использовали высокоскоростное изображение, чтобы отслеживать изменения в отдельных синапсах – небольших структурах, где один нейрон получает сигнал от другого. В частности, они использовали два современных сенсора: один для обнаружения, когда глутамат, химический сигнал, высвобождался на синапсе, и другой для измерения активности кальция в принимающем нейроне. Эти индикаторы позволили им отслеживать как входы в отдельные синапсы, так и общую активность нейрона.

Они изображали две основные части каждого нейрона: апикальные дендриты, которые простираются к поверхности мозга, и базальные дендриты, которые ветвятся ближе к телу клетки. Эти две области имеют различные структуры и свойства, что поднимает возможность, что они могут следовать различным правилам обучения.

Результаты подтвердили эту гипотезу. Исследователи обнаружили, что синапсы на апикальных дендритах, как правило, укреплялись, когда они были активны одновременно с близлежащими синапсами. Это означает, что локальные кластеры активных входов на этих ветвях становились сильнее вместе, способствуя тому, что исследователи назвали функциональным кластеризацией. Напротив, синапсы на базальных дендритах становились сильнее, если они были активны одновременно с тем, как нейрон испускал потенциал действия – электрический сигнал, который представляет результат. Это соответствует классическому представлению о обучении в мозге, известному как Хеббовское обучение, где связи укрепляются, когда вход и выход сочетаются.

Чтобы проверить важность выхода нейронов в этом процессе, исследователи подавили способность некоторых нейронов испускать потенциалы действия. Эта манипуляция сильно повлияла на базальные дендриты: синапсы в этих ветвях больше не укреплялись в ответ на обучение. Однако апикальные дендриты продолжали показывать признаки обучения через кластеризацию, даже когда выходная активность была заблокирована. Это показало, что две компартментальные части не только следовали разным правилам, но и что только одна из них – базальные дендриты – зависела от выходных сигналов нейрона для управления обучением.

Исследование также показало, когда происходят эти изменения. Большая часть укрепления связей происходила в первые дни обучения, что свидетельствует о том, что это чувствительный период, когда мозг наиболее отзывчив по отношению к обучению. Укрепление синапсов также имело тенденцию происходить в нейронах, которые впоследствии более активно участвовали в контроле движения, связывая наблюдаемые изменения с поведением.

Измеряя, насколько далеко менялись синапсы друг от друга, исследователи подтвердили, что апикальные дендриты обычно усиливали группы близлежащих синапсов, в то время как базальные дендриты не показывали такой кластеризации. Это предполагает, что апикальные дендриты могут организовывать информацию в пространственно сгруппированном виде, в то время как базальные дендриты могут быть более сосредоточены на выравнивании входов с общей активностью нейрона.

Одним из ключевых выводов было то, что нейроны могут следовать более чем одному правилу обучения одновременно, но применяют эти правила в специфических частях своей структуры. Апикальные дендриты, похоже, работают на основе локальной коактивности – когда несколько соседних входов активно работают вместе, в то время как базальные дендриты реагировали на совпадение входа и выхода нейрона. Эти различия могут возникать из структурных и электрических различий между компартментами. Например, сигналы из других частей мозга могут легче проникать в базальные дендриты, в то время как апикальные дендриты могут быть более электрически изолированными, способствуя локализованной обработке.

Исследование также подняло вопросы о том, как эти различия поддерживают обучение. Исследователи предположили, что апикальные дендриты могут объединять связанные входы, позволяя нейрону более эффективно интегрировать сложную информацию. В то же время базальные дендриты могут помочь выстроить ассоциации между конкретными входами и общим поведением нейрона. Эта двойная стратегия может позволить нейронам выполнять более сложные вычисления и гибко реагировать на различные типы обучения.

«Мы обнаружили, что отдельные нейроны используют различные правила синаптической пластичности в зависимости от того, где находятся эти синапсы на нейроне», - сказал Райт из PsyPost. «Эта находка бросает вызов традиционному представлению о синаптической пластичности, которое часто предполагает, что правила пластичности являются унифицированными и единственными внутри нейрона».

«Использование нескольких правил обучения одновременно может позволить нейронам выполнять различные вычисления параллельно и предоставить им гораздо большую вычислительную мощность, чем обычно считается. Эта находка также может иметь последствия для разработки более эффективного искусственного интеллекта, большинство нынешних нейронных сетей использует одно и то же правило обучения».

Хотя находки предоставляют новые взгляды на то, как работает обучение в мозге, авторы отметили несколько важных ограничений. Исследование проводилось на мышах и сосредоточилось на одном типе нейронов в одной части мозга. Все еще неизвестно, следуют ли другие нейроны в различных областях мозга тем же правилам. Для определения общности этих находок по видам и системам мозга необходимо больше исследований.

Исследователи планируют изучить, почему нейроны используют одновременно несколько правил обучения и как эта гибкость выгодна для функционирования мозга. Понимание этих процессов может помочь ученым разработать лучшие методы лечения неврологических и психиатрических состояний, при которых механизмы обучения выходят из строя.

«Остался один большой вопрос: почему нейроны одновременно используют несколько правил обучения?» - объяснил Райт. «Какие функции и вычисления это позволяет выполнять нейронным цепям в нашем мозге?»

Исследование под названием «Отдельные правила синаптической пластичности действуют по дендритным компартментам in vivo во время обучения» было написано Уильямом Дж. Райтом, Натаном Г. Хедриком и Такаки Комияма.