Используя световые импульсы, берлинским ученым недавно удалось контролировать тета-колебания в мозгу мыши. Они обнаружили, что эти мозговые волны координируют движение, обеспечивая передачу сигналов между удаленными областями мозга – общий код для управления психическими состояниями и поведением.
Тета-осцилляции были обнаружены в Берлине-Бухе почти 80 лет назад, но, несмотря на десятилетия интенсивных исследований, функция этого ритма оставалась неуловимой из-за отсутствия инструментов для экспериментального контроля и управления им. Тета-волны возникают в нескольких областях мозга, включая гиппокамп, часть мозга, где так называемые "разместить клетки" кодировать конкретное местонахождение животных или людей во время навигации. Но до недавнего времени не было известно, как и могут ли тета-колебания контролировать поведение во время исследования.
Группа исследователей под руководством Татьяны Коротковой и Алексея Пономаренко из Института FMP / NeuroCure Cluster of Excellence в Берлине использовала оптогенетику для контроля тета-колебаний у мышей. Они нацеливали светочувствительные молекулы на нейронные связи от главного водителя ритма тета-ритма до гиппокампа и возбуждали эти пути с помощью оптического волокна. "Было увлекательно наблюдать, как такая основная часть сетевой активности мозга – тета-ритм – просто следовала за скоростью света, который мы направляли в мозг" – вспомнить Ph.D. студенты Франциска Бендер и Мария Горбати.
Оптогенетический контроль тонко настраивал тета-колебания, делая их более регулярными и изолируя их от других влияний, таких как сенсорные входы. Таким образом, этот метод открыл путь к ответам на давние вопросы о влиянии тета-ритмической активности на поведение. Здесь исследователей ожидал первый сюрприз: поскольку ритм в гиппокампе оптогенетически регуляризовался, мыши изменили способ своего передвижения в окружающей среде. Животные двигались медленнее и с более постоянной скоростью в зависимости от экспериментально установленной регулярности тета-колебаний.
"Ритмы мозга работают как светофор, который сигнализирует, когда определенные нейронные клетки должны срабатывать, а когда они должны молчать", резюмировал Алексей Пономаренко. "Более регулярные колебания действуют как зеленый светофор, повторяющийся с регулярными интервалами. При упорядоченных колебаниях тета активность многих «транспортных средств» – популяций клеток в гиппокампе – со временем становится более стабильной".
Вторым сюрпризом было то, что не только кора, но и другие, эволюционно более древние, области мозга отреагировали на "светофор" в гиппокампе и участвовал в адаптации поведения животных. Тета-волны гиппокампа передаются через боковую перегородку в гипоталамус – важный центр управления мозгом, который объединяет жизненно важные сигналы, включая голод и возбуждение. "В течение многих лет изучалась роль колебаний гиппокампа в пространственном кодировании и памяти, чтобы понять, как мы запоминаем наш повседневный опыт" – говорит Татьяна Короткова. "Теперь мы знаем, что «когнитивная» картина окружающей среды, созданная гиппокампом, также считывается областями мозга, которые способны напрямую регулировать исследовательскую деятельность."
Мозг состоит из множества взаимосвязанных сетей с совершенно разной организацией, включая разные нейронные «языки», которые все еще должны работать вместе, чтобы обеспечить выживание организма. "Мы уже знали, что сети мозга взаимодействуют посредством синхронизации, но наш «словарь» для расшифровки этой активности никогда не тестировался в разговоре. Используя оптогенетику, теперь можно участвовать в этом общении, узнавать точное значение сигналов или слов в словаре синхронизации и расширять наш словарь" – объясняет Алексей Пономаренко. Исследователи убеждены, что оптогенетическое манипулирование колебаниями нейронной сети в режиме реального времени может еще больше помочь раскрыть причинную роль динамики мозга в поведении, а также способствовать механистическому пониманию психических расстройств.