Исследователи из Медицинской школы Массачусетского университета первыми показали, что можно изменить поведение животного, щелкнув переключателем в нейронной коммуникации. Исследование, опубликованное в журнале PLOS Biology, предлагает новый подход к изучению нейронных цепей, которые управляют поведением, и имеет важное значение для того, как ученые думают о нейронных коннектомах.
Новые технологии стимулировали поиски всех нейронных связей в мозгу, чтобы понять, как эти сети обрабатывают информацию и управляют поведением. Человеческий мозг состоит из 1011 нейронов, которые образуют 1015 связей. Общая длина нейронных отростков в человеческом мозгу составляет примерно 4 миллиона миль, что примерно равно общему количеству дорог в U.S. Вдоль этих сетей нейроны общаются друг с другом через возбуждающие и тормозящие синапсы, которые включают или выключают нейроны.
Однако нейронная дорожная карта или коннектом не включает информацию об активности нейронов или передаваемых ими сигналах. Насколько стабильны эти нейронные цепи в мозгу? Ограничивает ли их проводка поток информации или поведение, которое они контролируют?? Сложность человеческого мозга делает практически невозможным ответить на эти вопросы.
Марк Алкема, доктор философии, доцент кафедры нейробиологии Медицинской школы Университета Массачусетса, обратился к нематоде С. elegans, чтобы найти ответы. Крошечный червяк с 302 нейронами, это единственное животное, у которого полностью определена нейронная дорожная карта.
В этом исследовании Алкема и его коллеги стремились определить, достаточно ли изменения знака синапса с тормозного на возбуждающий в мозгу червя, чтобы полностью изменить поведение. Для этого они проанализировали сенсорную реакцию нематод, которую C. elegans используют, чтобы убежать от плотоядных грибов, которые используют петли гиф для ловли нематод. Во время этого ответа высвобождаются нейротрансмиттеры, которые активируют тормозной ионный канал. Это заставляет червя расслабить голову и быстро повернуть назад от хищника.
Дженн Пирри, докторант лаборатории Alkema, и Диего Райес, доктор философии, бывший научный сотрудник Института биохимических исследований в Баия-Бланка в Аргентине, заменили ингибирующий ионный канал на возбуждающую версию канала в прямом эфире. нематода.
"Удивительно, но сконструированный канал не влияет на развитие и должным образом встроен в нейронные цепи мозга червя," сказал доктор. Алкема. "Клетки, которые обычно тормозятся в мозге, теперь активируются.
"Что было наиболее поразительно, так это то, что мы смогли полностью изменить поведение, просто изменив знак синапса в нейронной сети," объяснил Алкема. "Теперь животное сжимает голову и имеет тенденцию двигаться вперед в ответ на прикосновение. Это говорит о том, что схема нейронной проводки в высшей степени стабильна и допускает такие изменения.
"Наши исследования показывают, что изменение знака синапса не только обеспечивает новый синтетический механизм для изменения поведенческого результата, но даже может быть эволюционным механизмом для изменения поведения," сказал Алкема. "По мере того, как мы начинаем разбираться в сложности и конструкции нейронной сети, она открывает большие перспективы в качестве нового механизма для проверки работы схем или даже для разработки новых нейронных схем in vivo."