Viena iš labiausiai žinomų smegenų savybių yra jų prisitaikymas. Neuroninių grandinių, kurių ryšiai nuolat koreguojami, kai patiriame ir bendraujame su pasauliu, pokyčiai yra esminiai mūsų mokymosi procese. Tačiau norint išlaikyti žinias ir prisiminimus, kai kurios grandinės dalys turi būti atsparios šiems nuolatiniams pokyčiams.
„Smegenys išsiaiškino, kaip pereiti prie stabilumo ir lankstumo pusiausvyros kraštovaizdžio, kad galėtum išmokti naujo ir turėti visą gyvenimą trunkančią atmintį“, – sako neurologas Markas Harnettas, MIT McGovern smegenų tyrimų instituto tyrėjas.
Tyrime, paskelbtame m Ląstelių ataskaitosHarnettas ir jo komanda parodo, kaip atskiri neuronai gali prisidėti prie abiejų šio gyvybiškai svarbaus dvilypumo dalių. Tyrinėdami sinapses, per kurias bendrauja piramidiniai neuronai smegenų jutiminėje žievėje, jie sužinojo, kaip ląstelės išsaugo supratimą apie kai kuriuos svarbiausius pasaulio bruožus, kartu išsaugodamos lankstumą, reikalingą prisitaikyti prie besikeičiančio pasaulio.
Vizualiniai ryšiai
Piramidiniai neuronai gauna įvestis iš kitų neuronų per tūkstančius jungties taškų. Ankstyvoje gyvenimo stadijoje šios sinapsės yra labai lanksčios; jų jėgos gali pasikeisti, kai jaunas gyvūnas priima vaizdinę informaciją ir išmoksta ją interpretuoti. Daugelis iš jų gali prisitaikyti iki pilnametystės, tačiau Harnetto komanda išsiaiškino, kad kai kurios ląstelių sinapsės praranda lankstumą, kai gyvūnai yra jaunesni nei mėnesio amžiaus. Turėdami stabilias ir lanksčias sinapses, šie neuronai gali sujungti įvestis iš skirtingų šaltinių, kad lanksčiai panaudotų vaizdinę informaciją.
Postdoc Courtney Yaeger atidžiai pažvelgė į šias neįprastai stabilias sinapses, kurios susitelkusios siaurame įmantriai išsišakojusių piramidinių ląstelių regione. Ją domino ryšiai, per kuriuos ląstelės gauna pirminę vizualinę informaciją, todėl ji atsekė jų ryšius su neuronais smegenų talamo regos apdorojimo centre, vadinamame nugaros šoniniu geniculate nucleus (dLGN).
Ilgi išplėtimai, per kuriuos neuronas gauna signalus iš kitų ląstelių, vadinami dendritais, ir jie išsišakoja iš pagrindinio ląstelės korpuso į medį panašią struktūrą. Spygliuotos iškyšos išilgai dendritų sudaro sinapses, jungiančias piramidinius neuronus su kitomis ląstelėmis. Yaeger eksperimentai parodė, kad visos jungtys iš dLGN vedė į apibrėžtą piramidinių ląstelių sritį – įtemptą juostą, kurią ji apibūdina kaip dendritinio medžio kamieną.
Yaegeris rado keletą būdų, kaip sinapsės šiame regione, oficialiai žinomu kaip viršūninis įstrižas dendrito domenas, skiriasi nuo kitų sinapsių tose pačiose ląstelėse. „Jie iš tikrųjų nėra taip toli vienas nuo kito, bet jie turi visiškai skirtingas savybes”, – sako ji.
Stabilios sinapsės
Viename eksperimentų rinkinyje Yaegeris suaktyvino piramidinių neuronų sinapses ir išmatavo poveikį ląstelių elektriniam potencialui. Neuronų elektrinio potencialo pokyčiai generuoja impulsus, kuriuos ląstelės naudoja bendraudamos viena su kita. Įprasta, kad sinapsės elektriniai efektai sustiprėja, kai aktyvuojamos ir netoliese esančios sinapsės. Tačiau kai signalai buvo perduoti į viršūninį įstrižą dendrito domeną, kiekvienas iš jų turėjo tą patį poveikį, nesvarbu, kiek sinapsių buvo stimuliuojama.
Harnettas sako, kad ten esančios sinapsės visiškai nesąveikauja viena su kita. „Jie tiesiog daro tai, ką daro. Nesvarbu, ką daro jų kaimynai, jie visi daro tą patį.”
Komanda taip pat galėjo vizualizuoti atskirų sinapsių molekulinį turinį. Tai atskleidė stebėtiną tam tikro tipo neuromediatorių receptorių, vadinamų NMDA receptoriais, trūkumą viršūniniuose įstrižuose dendrituose. Tai buvo pastebima dėl NMDA receptorių vaidmens tarpininkaujant smegenų pokyčiams.
„Paprastai, kai galvojame apie bet kokį mokymąsi, atmintį ir plastiškumą, tai daro NMDA receptoriai“, – sako Harnettas. „Tai yra labiausiai paplitęs mokymosi ir atminties substratas visose smegenyse.”
Kai Yaeger stimuliavo viršūnines įstrižas sinapses elektra, sukurdamas veiklos modelius, kurie sustiprintų daugumą sinapsių, komanda atrado riboto NMDA receptorių buvimo pasekmes. Sinapsių stiprumas nepasikeitė. „Ten nevyksta jokio nuo veiklos priklausomo plastiškumo, kiek mes išbandėme“, – sako Yaegeris.
Tai logiška, teigia mokslininkai, nes ląstelių jungtys iš talamo perduoda pirminę regimąją informaciją, kurią aptinka akys. Būtent per šiuos ryšius smegenys išmoksta atpažinti pagrindines regėjimo ypatybes, tokias kaip formos ir linijos.
„Šios sinapsės iš esmės yra tvirtas, labai tikslus šios vaizdinės informacijos nuskaitymas“, – aiškina Harnettas. „Tai yra tai, ką jie perteikia, ir tai nėra jautrus kontekstui. Taigi nesvarbu, kiek kitų sinapsių yra aktyvių, jos tiesiog daro tai, ką ketina daryti, ir jūs negalite jų keisti aukštyn ir žemyn. pagrįsti aktyvumu, todėl jie yra labai, labai stabilūs.
„Jūs iš tikrųjų nenorite, kad jie būtų plastikiniai“, – priduria Yaeger. „Ar galite įsivaizduoti, kad užmigsite ir pamiršite, kaip atrodo vertikali linija? Tai būtų pražūtinga.”
Atlikdami tuos pačius eksperimentus su skirtingo amžiaus pelėmis, mokslininkai nustatė, kad sinapsės, jungiančios piramidinius neuronus su talamu, tampa stabilios praėjus kelioms savaitėms po to, kai jaunos pelės pirmą kartą atidaro akis. Iki to laiko, pasak Harnetto, jie išmoko visko, ko reikia. Kita vertus, jei pelės pirmąsias savo gyvenimo savaites praleidžia tamsoje, sinapsės niekada nesistabilizuoja – tai dar vienas įrodymas, kad perėjimas priklauso nuo regėjimo patirties.
Grupės išvados ne tik padeda paaiškinti, kaip smegenys subalansuoja lankstumą ir stabilumą; jie galėtų padėti mokslininkams išmokyti dirbtinį intelektą, kaip daryti tą patį. Harnettas teigia, kad dirbtiniai neuroniniai tinklai šiuo atžvilgiu yra labai blogi: kai dirbtinis neuroninis tinklas, kuris kažką gerai daro, yra išmokomas daryti ką nors naujo, jis beveik visada patiria „katastrofišką užmiršimą“ ir nebegali atlikti savo pradinės užduoties. Harnetto komanda tiria, kaip jie galėtų panaudoti tai, ką sužinojo apie tikras smegenis, kad įveiktų šią problemą dirbtiniuose tinkluose.