Служебные клетки мозга помогают нейронам учить движения

В нервной системе, кроме нейронов, есть много служебных клеток, которые называются нейроглией, или просто глией. Они физические поддерживают нейроны, снабжают их питательными веществами и кислородом, защищают от патогенов, формируют изолирующую обмотку на нейронных проводах — длинных отростках-аксонах, по которым нейроны посылают сигналы другим клеткам. Довольно долго считалось, что глия — это просто клетки-няньки, которые собственно в нейронные функции не вмешиваются. На самом деле, всё-таки вмешиваются: в последние годы появляется всё больше данных о том, что глиальные клетки, хотя сами не проводят электрических импульсов, активно влияют на то, как эти импульсы бегут по нейронам. Влияние нейроглии распространяется на сложные нервные процессы вплоть до высших когнитивных функций. Так, мы несколько лет назад рассказывали, что нейроглия участвует в управлении суточными ритмами и помогает запоминать новую информацию.

В недавней статье в The Journal of Neuroscience описан ещё один пример того, как глиальные клетки участвуют в работе нейронов мозга. Сотрудники Института Пикауэра ставили эксперименты с мышами: услышав звуковой сигнал, мыши должны были в течение пяти секунд добраться до рычага, который давал угощение, и нажать на него. За несколько дней мыши вполне сносно выучивали последовательность действий, а через две недели выполняли задание просто идеально, то есть очень быстро реагировали и бежали к рычагу целенаправленно и без суеты.

Но так происходило всё у обычных мышей. Если же исследователи определённым образом действовали на мышиные астроциты, то с обучением начинались проблемы. Астроциты — одни из глиальных клеток, те, которые поддерживают нейроны, питают их и вообще следят за тем, чтобы нейронам было в молекулярном смысле комфортно работать. В одном случае астроциты моторной коры (то есть той области, которая управляет движениями) переставали поглощать избыток нейромедиатора глутамата. В другом случае у астроцитов слишком сильно стимулировали внутриклеточные кальциевые сигналы. Перераспределение ионов кальция между разными органеллами играют большую роль в любых клетках, если в кальциевых потоках случается какая-то аномалия, клетка начинает хуже выполнять свою работу.

В обоих вариантах нейроны начинали иначе обращаться с собственными синапсами. Постоянное появление и исчезновение синапсов, укрепление нужных межнейронных связей и ослабление ненужных лежит в основе всякого обучения — благодаря синапсам формируются нейронные цепи, обрабатывающие информацию. Появление и исчезновение синапсов называют синаптической пластичностью. Эта-то пластичность у нейронов и нарушалась, когда астроциты переставали поглощать избыток глутамата вокруг них или когда у самих астроцитов начинались внутриклеточные проблемы.

Но поведенческие эффекты были разные. Те мыши, чьи астроциты переставали следить за глутаматом, достаточно быстро добегали до рычага и нажимали его, но их движения оставались неуверенными, неточными и дёргаными. Те мыши, в чьих астроцитах перегревались кальциевые сигналы, тоже не могли достичь точности в движениях, но также они не до конца понимали, когда именно они должны бежать к рычагу и как быстро они должны всё делать.

Дальнейшие эксперименты показали, что в астроцитах с кальциевыми аномалиями понижалась активность генов, от которых зависит захват нейромедиатора глутамата. То есть в обоих случаях проблемы с обучением происходили в конечном счёте из-за того, что астроциты переставали следить за уровнем глутамата вокруг нейронов. Нейроны же теряли синаптическую пластичность, и мозг никак не мог выучить в точности, что именно требуется сделать. В данном случае обучение заключалось в последовательности движений, и вполне возможно, что наша способность или неспособность освоить какие-то сложные движения тоже связана с тем, как работают астроциты у нас в мозге.