U ludzi proces uczenia się jest napędzany przez różne grupy komórek w mózgu, które wspólnie się wyzwalają. Na przykład, gdy neurony związane z procesem rozpoznawania psa zaczynają wyzwalać się w skoordynowany sposób w odpowiedzi na komórki kodujące cechy psa – cztery nogi, futro, ogon itp. – małe dziecko będzie w stanie rozpoznawać psy w przyszłości. Ale okablowanie mózgu zaczyna się przed urodzeniem człowieka, zanim zdobędzie on doświadczenia lub zmysły, takie jak wzrok, które pokierują tym obwodem komórkowym. Jak to się dzieje?
W nowym badaniu opublikowanym 15 sierpnia w Science naukowcy z Yale zidentyfikowali, w jaki sposób komórki mózgowe zaczynają łączyć się w tę sieć połączeń na wczesnym etapie rozwoju, zanim doświadczenie ma szansę ukształtować mózg. Okazuje się, że bardzo wczesny rozwój podlega tym samym zasadom, co późniejszy rozwój — komórki, które aktywują się razem, łączą się ze sobą. Jednak zamiast doświadczenia jako siły napędowej, to spontaniczna aktywność komórkowa.
„Jednym z podstawowych pytań, które badamy, jest to, jak mózg zostaje okablowany w trakcie rozwoju” — powiedział Michael Crair, współautor badania i profesor neurologii im. Williama Zieglera III w Yale School of Medicine. „Jakie są zasady i mechanizmy, które rządzą okablowaniem mózgu? Te odkrycia pomagają odpowiedzieć na to pytanie”.
W ramach badania naukowcy skupili się na komórkach zwojowych siatkówki myszy, które projektują z siatkówki do obszaru mózgu zwanego wzgórkiem górnym, gdzie łączą się z neuronami docelowymi w dół. Naukowcy jednocześnie zmierzyli aktywność pojedynczej komórki zwojowej siatkówki, zmiany anatomiczne, które zaszły w tej komórce podczas rozwoju, oraz aktywność otaczających komórek u obudzonych noworodków myszy, których oczy jeszcze się nie otworzyły. Ten technicznie złożony eksperyment był możliwy dzięki zaawansowanym technikom mikroskopowym i białkom fluorescencyjnym, które wskazują aktywność komórek i zmiany anatomiczne.
Poprzednie badania wykazały, że zanim może nastąpić doświadczenie sensoryczne — na przykład, gdy ludzie są w łonie matki lub w dniach, zanim młode myszy otworzą oczy — spontanicznie generowana aktywność neuronalna koreluje i tworzy fale. W nowym badaniu naukowcy odkryli, że gdy aktywność pojedynczej komórki zwojowej siatkówki była silnie zsynchronizowana z falami spontanicznej aktywności w otaczających komórkach, akson pojedynczej komórki — część komórki, która łączy się z innymi komórkami — wyrastały nowe gałęzie. Gdy aktywność była słabo zsynchronizowana, gałęzie aksonu były zamiast tego eliminowane.
„To mówi nam, że gdy te komórki aktywują się razem, powiązania są wzmacniane” — powiedział Liang Liang, współautor badania i adiunkt neurobiologii w Yale School of Medicine. „Rozgałęzienie aksonów umożliwia tworzenie większej liczby połączeń między komórkami zwojowymi siatkówki a neuronami dzielącymi zsynchronizowaną aktywność w obwodzie wzgórka górnego”.
Odkrycie to jest zgodne z tzw. „zasadą Hebba”, ideą wysuniętą przez psychologa Donalda Hebba w 1949 r. Hebb zaproponował wówczas, że gdy jedna komórka wielokrotnie powoduje aktywację innej komórki, połączenia między nimi ulegają wzmocnieniu.
„Zasada Hebba jest dość często stosowana w psychologii, aby wyjaśnić podstawy uczenia się w mózgu” — powiedział Crair, który jest również prorektorem ds. badań i profesorem okulistyki i nauk wizualnych. „Tutaj pokazujemy, że ma ona również zastosowanie podczas wczesnego rozwoju mózgu z subkomórkową precyzją”.
W nowym badaniu naukowcy byli w stanie określić, w którym miejscu na gałęziach komórek najprawdopodobniej dochodzi do powstawania rozgałęzień. Wzór ten ulegał zaburzeniu, gdy naukowcy zaburzyli synchronizację między falami komórkowymi a falami spontanicznymi.
Spontaniczna aktywność występuje podczas rozwoju w kilku innych obwodach nerwowych, w tym w rdzeniu kręgowym, hipokampie i ślimaku. Podczas gdy konkretny wzór aktywności komórkowej byłby inny w każdym z tych obszarów, podobne zasady mogą regulować sposób, w jaki okablowanie komórkowe odbywa się w tych obwodach, powiedział Crair.
W dalszej kolejności naukowcy będą badać, czy te wzorce rozgałęzień aksonów utrzymują się po otwarciu oczu myszy oraz co dzieje się z połączonym dalej neuronem, gdy tworzy się nowa gałąź aksonu.
„Laboratoria Crair i Liang będą nadal łączyć naszą wiedzę specjalistyczną w zakresie rozwoju mózgu i obrazowania pojedynczych komórek, aby badać, w jaki sposób montaż i udoskonalanie obwodów mózgowych jest sterowane przez precyzyjne wzorce aktywności neuronalnej na różnych etapach rozwoju” – powiedział Liang.
Badania były częściowo finansowane przez Instytut Neurologii Kavliego na Wydziale Medycznym Uniwersytetu Yale.