У людей процесс обучения управляется различными группами клеток в мозге, которые активируются вместе. Например, когда нейроны, связанные с процессом распознавания собаки, начинают активироваться скоординированно в ответ на клетки, которые кодируют особенности собаки — четыре ноги, мех, хвост и т. д. — маленький ребенок в конечном итоге сможет распознавать собак в будущем. Но мозговая проводка начинается еще до рождения человека, до того, как у него появляется опыт или чувства, такие как зрение, которые управляют этой клеточной схемой. Как это происходит?

В новом исследовании , опубликованном в журнале Science , исследователи из Йельского университета определили, как клетки мозга начинают объединяться в эту проводную сеть на раннем этапе развития, прежде чем опыт успевает сформировать мозг. Оказывается, что очень раннее развитие следует тем же правилам, что и более позднее развитие — клетки, которые активируются вместе, связываются вместе. Но движущей силой является не опыт, а спонтанная клеточная активность.

«Один из фундаментальных вопросов, который мы изучаем, — это то, как мозг формируется в процессе развития», — сказал Майкл Крейр, соавтор исследования и профессор нейронауки имени Уильяма Циглера III в Йельской медицинской школе. «Каковы правила и механизмы, управляющие формированием связей в мозге ? Эти открытия помогают ответить на этот вопрос».

В ходе исследования ученые сосредоточились на ганглиозных клетках сетчатки мышей, которые проецируются из сетчатки в область мозга, называемую верхним холмиком, где они соединяются с нижележащими целевыми нейронами.

Исследователи одновременно измеряли активность одной ганглиозной клетки сетчатки, анатомические изменения, которые происходили в этой клетке во время развития, и активность окружающих клеток у бодрствующих новорожденных мышей, глаза которых еще не открылись. Этот технически сложный эксперимент стал возможным благодаря передовым методам микроскопии и флуоресцентным белкам, которые показывают активность клеток и анатомические изменения.

Предыдущие исследования показали, что до того, как может возникнуть сенсорный опыт, например, когда человек находится в утробе матери или когда молодые мыши еще не открывают глаза, спонтанно генерируемая нейронная активность коррелирует и формирует волны.

В новом исследовании ученые обнаружили, что когда активность одной ганглиозной клетки сетчатки была сильно синхронизирована с волнами спонтанной активности в окружающих клетках, аксон этой клетки — часть клетки, которая соединяется с другими клетками — отращивал новые ответвления. Когда активность была плохо синхронизирована, ответвления аксона вместо этого устранялись.

«Это говорит нам о том, что когда эти клетки активизируются вместе, связи усиливаются», — сказал Лян Лян, соавтор исследования и доцент кафедры нейробиологии в Йельской школе медицины. «Разветвление аксонов позволяет устанавливать больше связей между ганглиозными клетками сетчатки и нейронами, разделяющими синхронизированную активность в верхнем холмике ».

Это открытие следует так называемому «правилу Хебба», идее, выдвинутой психологом Дональдом Хеббом в 1949 году. В то время Хебб предположил, что когда одна клетка неоднократно заставляет другую клетку активироваться, связи между ними укрепляются.

«Правило Хебба довольно часто применяется в психологии для объяснения мозговой основы обучения», — сказал Крейр, который также является проректором по исследованиям и профессором офтальмологии и визуальной науки. «Здесь мы показываем, что оно также применимо во время раннего развития мозга с субклеточной точностью».

В новом исследовании ученым также удалось определить, где на клеточной ветви с наибольшей вероятностью происходит формирование волн, закономерность которого нарушалась, когда исследователи нарушали синхронизацию между клеткой и спонтанными волнами.

Спонтанная активность происходит во время развития в нескольких других нейронных цепях , включая спинной мозг, гиппокамп и улитку. Хотя конкретный паттерн клеточной активности будет отличаться в каждой из этих областей, схожие правила могут управлять тем, как клеточная проводка происходит в этих цепях, сказал Крейр.

В дальнейшем исследователи выяснят, сохраняются ли эти закономерности ветвления аксонов после того, как у мыши открываются глаза, и что происходит с нижележащим связанным нейроном, когда формируется новая ветвь аксона.

«Лаборатории Крейра и Лян продолжат объединять наши знания в области развития мозга и визуализации отдельных клеток, чтобы изучить, как сборка и совершенствование мозговых цепей направляются точными моделями нейронной активности на разных стадиях развития», — сказал Лян.