UC San Diego: стимуляция 20 нейронов моторной коры мышей запускает выученное нажатие рычага

Нейробиологи Калифорнийского университета в Сан-Диего, старший автор — Такаки Комияма, сообщили в Nature, что краткая синхронная оптогенетическая стимуляция около 20 нейронов слоя 2/3 первичной моторной коры мыши запустила выученный паттерн активности и во многих пробах само выученное движение nature.comNaturenature.comОткрыть источник ↗. Работу вёл аспирант Цию Чэнь. Мыши выполняли навык нажатия на рычаг; команда сочетала двухфотонную кальциевую визуализацию с голографической стимуляцией функционально определённых групп нейронов.

Задача и метод

Каждая мышь училась схватить рычаг и после звука нажать и удерживать его одну секунду, чтобы получить каплю воды. После двух недель ежедневных тренировок животные нажимали одинаково каждый раз; записи сделали у 14 из них. Нейроны несли и кальциевый индикатор, и светочувствительный белок. За сессию визуализировали около 550 нейронов на трёх глубинах, а голографический лазер мог целиться в выбранные клетки.

В 27 сессиях и на 14 779 нейронах около 30 процентов клеток усиливали активность во время нажатия, около 16 процентов — снижали. Примерно 13 процентов нейронов в сессии включались до начала движения рычага; авторы назвали их нейронами раннего включения.

В 30 процентах случайно выбранных проб звук заменяли 3-миллисекундной вспышкой света, одновременно попадавшей примерно в 20 нейронов раннего включения; воду не давали. Мыши нажимали заметно чаще, чем в пробах без звука и света. Около половины нажатий, вызванных светом, имели корреляцию с тренированным нажатием выше 0,5; медиана для произвольных нажатий составила 0,785, для вызванных светом — 0,455. Нейроны, которые обычно усиливали или снижали активность при произвольном нажатии, после вспышки менялись так же nature.comNaturenature.comОткрыть источник ↗.

Контроли и ограничения

Стимуляция около 20 нейронов позднего включения, активность которых начинается после старта нажатия (около 14 процентов клеток), давала нажатия в заметно меньшем числе проб. Они были менее похожи на тренированное, а окружающих нейронов вовлекалось меньше. У мышей, не вовлечённых в задачу, стимуляция не вызывала ни движений, ни выученной активности.

В части проб стимуляция вызывала выученную активность без движения, что указывает: эта активность может возникать внутри, а не только отражать движение. Разброс вызванных движений коррелировал с разбросом ответа популяции, и оба предсказывались состоянием активности моторной коры за полсекунды до вспышки. Декодер, обученный на 80 процентах произвольных проб, восстанавливал траекторию рычага на отложенных пробах, а на пробах со светом справлялся ещё лучше.

Авторы указывают ограничения. Работа выполнена на мышах, в одном слое одной области мозга, в первые недели освоения навыка. Прежняя работа той же лаборатории показала, что месяцы дополнительной практики могут сделать навык независимым от моторной коры. Данные не исключают, что паттерн достраивается через петли к более глубоким структурам, например таламусу, а вспышка давала точные нажатия лишь примерно в половине случаев. Следующая задача лаборатории — картировать связи клеток раннего включения с нейронами, которые они вовлекают.