Исследователи из Janelia разгадывают, как нейроны выполняют вычисления, тщательно калиброванные под движение животного и окружающую среду, для точной регуляции высвобождения нейромодуляторов — химических веществ, которые настраивают активность мозга и позволяют нам адаптироваться к новым ситуациям.
Новые открытия могут помочь учёным лучше понять, как мозг обеспечивает гибкое поведение, и пролить свет на расстройства настроения, такие как депрессия.
В отличие от нейротрансмиттеров, которые обеспечивают быструю связь между нейронами, нейромодуляторы регулируют группы нейронов в более медленном масштабе времени. Эти химические вещества корректируют реакцию нашего мозга на сигналы и помогают формировать наше поведение, настроение и мышление.
У личинок данио-рерио нейромодулятор серотонин контролирует интенсивность плавания рыбы, когда изменения в окружающей среде или в её собственном теле влияют на эффективность её усилий. Предыдущее исследование из лаборатории Ахренса в Janelia показало, что серотонинергические нейроны в области мозга, называемой ядром дорсального рафа, используют визуальные подсказки для оценки эффективности плавания рыбы, чтобы определить, сколько усилий ей следует приложить в будущем, высвобождая серотонин для корректировки интенсивности плавания рыбы.
В новом исследовании, опубликованном в Neuron, группа под руководством лаборатории Ахренса стремилась понять, как эти нейроны определяют, когда и сколько серотонина секретировать. Хотя многие исследования были сосредоточены на том, как нейромодуляторы влияют на нейронные цепи, меньше известно о том, как сама система нейромодуляции обрабатывает информацию.
Когда рыба плавала в условиях виртуальной реальности, исследователи отслеживали активность в рафе с помощью датчиков напряжения и инструментов визуализации нейромедиаторов, разработанных в Janelia.
Данио-рерио плавают в стаккато — плавают и скользят, — и они обнаружили, что серотонинергические нейроны в рафе интегрируют информацию о своём восприятии движения только после периода плавания. Ахренс и его команда определили, что «ворота» позволяют визуальной информации поступать в раф: они закрыты, если рыба не плавала, и открываются сразу после этого.
Этот процесс позволяет клеткам в рафе использовать визуальную информацию, связанную с усилиями рыбы во время плавания, для корректировки действий рыбы, фильтруя при этом нерелевантные визуальные сигналы. В целом, этот тип назначения кредитов — для правильного ассоциирования действий с результатами — лежит в основе того, как система учится на опыте, и является активным направлением исследований в нейронауках и машинном обучении.
Затем команда исследовала, как работает этот механизм. Учёные обнаружили, что плавание изначально подавляет активность серотонинергических нейронов в рафе. Но как только рыба перестаёт плавать и переходит в режим скольжения, подавление снимается. Это вызывает эффект отскока, увеличивая нейронную активность — подобно тому, как если бы вы нажали на воздушный шарик на столе, а затем отпустили его, и он подпрыгнул вверх. Во время этой фазы отскока ворота открываются, и визуальная информация может достичь рафа. Эти визуальные сигналы усиливают возбуждение нейронов и заставляют клетки срабатывать пропорционально скорости, высвобождая серотонин, который регулирует интенсивность плавания рыбы.
Новые открытия проливают свет на то, как работает нейромодуляция в рафе — области мозга, также обнаруженной в мозге человека, — и потенциально проливают свет на процессы, происходящие в других системах нейромодуляции в мозге, по словам исследователей.
Предоставлено Howard Hughes Medical Institute.