На изображении показан нейрон с дендритом в виде ствола дерева. Каждая треугольная форма, касающаяся дендрита, представляет собой синапс, куда поступают входные данные от других нейронов, называемые шипами (волнистые формы). Синапсы, которые находятся дальше на дендритном дереве от тела клетки, требуют более высокой частоты спайков (спайков, которые сближаются во времени) и спайков, которые прибывают в идеальное время, чтобы генерировать максимальное обучение.
Мозг учится через изменения силы его синапсов – связей между нейронами – в ответ на стимулы.
Теперь, в результате открытия, которое бросает вызов общепринятым представлениям о механизмах обучения мозга, нейрофизики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе обнаружили, что мозг оптимален "ритм," или частота, для изменения синаптической силы. И, кроме того, как станции на радио-циферблате, каждый синапс настроен на другую оптимальную частоту для обучения.
Открытия, которые представляют собой великую единую теорию механизмов, лежащих в основе обучения в мозге, могут привести к возможным новым методам лечения нарушений обучаемости.
Исследование опубликовано в текущем выпуске журнала Frontiers in Computational Neuroscience.
"Многие люди страдают нарушениями обучаемости и памяти, и за пределами этой группы большинство из нас не Эйнштейн или Моцарт," сказал Mayank R. Мехта, старший автор статьи и доцент кафедр неврологии, нейробиологии, физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. "Наша работа предполагает, что некоторые проблемы с обучением и памятью вызваны тем, что синапсы не настроены на правильную частоту."
Изменение силы синапса в ответ на стимулы – известное как синаптическая пластичность – индуцируется так называемым "шипованные поезда," серия нейронных сигналов, которые происходят с разной частотой и временем. Предыдущие эксперименты показали, что стимуляция нейронов с очень высокой частотой (e.грамм., 100 импульсов в секунду) усиливали соединительный синапс, тогда как низкочастотная стимуляция (e.грамм., один спайк в секунду) снижение синаптической силы.
В этих более ранних экспериментах использовались сотни последовательных всплесков в очень высокочастотном диапазоне, чтобы вызвать пластичность. Тем не менее, когда мозг активируется во время реальных поведенческих задач, нейроны запускают только около 10 последовательных импульсов, а не несколько сотен. И они делают это с гораздо меньшей частотой – обычно в диапазоне 50 пиков в секунду.
Другими словами, сказал Мехта, "частота всплесков означает, насколько быстро появляются всплески. Десять импульсов могут быть доставлены с частотой 100 импульсов в секунду или с частотой один импульс в секунду."
До сих пор исследователям не удавалось проводить эксперименты, моделирующие более естественные уровни. Но Мехта и соавтор Арвинд Кумар, бывший научный сотрудник своей лаборатории, смогли впервые получить эти измерения, используя сложную математическую модель, которую они разработали и подтвердили с экспериментальными данными.
Вопреки тому, что предполагалось ранее, Мехта и Кумар обнаружили, что, когда дело доходит до стимуляции синапсов естественными спайковыми паттернами, стимуляция нейронов на самых высоких частотах – не лучший способ увеличить синаптическую силу.
Когда, например, синапс стимулировался всего 10 спайками с частотой 30 спайков в секунду, это вызывало гораздо большее увеличение силы, чем стимуляция этого синапса 10 спайками со скоростью 100 раз в секунду.
"Ожидание, основанное на предыдущих исследованиях, заключалось в том, что если вы управляете синапсом на более высокой частоте, эффект на усиление синапса или обучение будет по крайней мере таким же хорошим, если не лучше, чем естественная более низкая частота," Мехта сказал. "К нашему удивлению, мы обнаружили, что за пределами оптимальной частоты синаптическое усиление фактически снижалось по мере того, как частоты становились выше."
Знание о том, что синапс имеет предпочтительную частоту для максимального обучения, побудил исследователей сравнить оптимальные частоты, основанные на расположении синапса на нейроне. Нейроны имеют форму деревьев, при этом ядро является основой дерева, дендриты напоминают обширные ветви, а синапсы напоминают листья на этих ветвях.
Когда Мехта и Кумар сравнили синаптическое обучение, основанное на том, где синапсы были расположены на дендритных ветвях, то, что они обнаружили, было значительным: оптимальная частота для индукции синаптического обучения изменялась в зависимости от того, где был расположен синапс. Чем дальше синапс находился от тела клетки нейрона, тем выше его оптимальная частота.
"Невероятно, но когда дело доходит до обучения, нейрон ведет себя как гигантская антенна с разными ветвями дендритов, настроенными на разные частоты для максимального обучения," Мехта сказал.
Исследователи обнаружили, что не только каждый синапс имеет предпочтительную частоту для достижения оптимального обучения, но и для наилучшего эффекта частота должна быть идеально ритмичной – рассчитанной по времени с точными интервалами. Даже на оптимальной частоте, если ритм сбрасывался, синаптическое обучение существенно снижалось.
Их исследование также показало, что как только синапс обучается, его оптимальная частота меняется. Другими словами, если оптимальная частота для наивного синапса – того, который еще ничего не научился – была, скажем, 30 всплесков в секунду, после обучения тот же самый синапс оптимально обучался бы на более низкой частоте, скажем, 24 всплеска. в секунду. Таким образом, само обучение изменяет оптимальную частоту синапса.
Это вызванное обучением "расстройка" По словам исследователей, этот процесс имеет важное значение для лечения расстройств, связанных с забыванием, таких как посттравматическое стрессовое расстройство.
Несмотря на то, что необходимо провести гораздо больше исследований, результаты указывают на возможность разработки лекарств для "перенастроить" ритмы мозга людей с нарушениями обучения или памяти, или что многие из нас могли бы стать Эйнштейном или Моцартом, если бы оптимальный ритм мозга был доставлен в каждый синапс.
"Мы уже знаем, что существуют лекарства и электрические раздражители, которые могут изменять ритмы мозга," Мехта сказал. "Наши результаты показывают, что мы можем использовать эти инструменты для обеспечения оптимального ритма мозга целевым соединениям, чтобы улучшить обучение."