«Нейропластичность, обучение и память»: день 1-2

Открывая лекционную программу, Константин Анохин выступил с докладом, посвященным одной из фундаментальных проблем нейробиологии — консолидации и реконсолидации памяти. В своем выступлении академик РАН описал ключевые исторические этапы изучения этого феномена — начиная с теоретических предположений прошлого и заканчивая современными гипотезами на основе молекулярных данных.

Лекция началась с исторического экскурса. Идея о том, что память имеет материальную основу в мозге — «энграмму», была выдвинута еще в начале XX века. Однако настоящий научный прорыв произошел позднее, когда эксперименты на животных (в частности, на крысах) в середине XX века позволили перевести изучение памяти из области психологии в область биологии и предоставили объяснение этому процессу с точки зрения физиологии и биохимии. Было обнаружено, что если вскоре после обучения следует мощный раздражающий стимул (как, например, электрический разряд или введение ингибитора синтеза белка), то последний прерывает естественный процесс стабилизации памяти. В результате свежее воспоминание не фиксируется и «стирается». Этот уязвимый период стабилизации, во время которого память переводится из неустойчивого кратковременного состояния в стабильное долговременное (что требует синтеза белков и структурных изменений в нейронных сетях), получил название «консолидация».

Дальнейшие исследования помогли найти молекулярную основу столь сложного процесса: для консолидации критически важен синтез новых белков и активация определенных генов в нейронах. Эти «гены раннего ответа» запускают каскад молекулярных событий, ведущих к структурным изменениям в синапсах — связях между нервными клетками.

Однако к концу XX века стало ясно, что классическая модель требует пересмотра. Эксперименты (в том числе с участием российских ученых) показали, что при активации, или «извлечении» (retrieval), уже консолидированное воспоминание снова становится неустойчивым и для своего повторного «сохранения» требует нового синтеза белков. Этот процесс был назван реконсолидацией. Это открытие кардинально изменило представления о памяти: она не является чем-то раз и навсегда запечатленным, а динамически перезаписывается каждый раз, когда человек о чем-то вспоминает.

Этот феномен имеет огромное практическое значение. На нем основаны потенциальные методы терапии посттравматического стрессового расстройства (ПТСР): если фармакологически блокировать реконсолидацию в момент воспоминания о травме, можно ослабить его эмоциональную валентность. С другой стороны, в последние годы была выдвинута экспериментальная гипотеза SODOM. Согласно ей, одним из механизмов потери памяти при болезни Альцгеймера может быть патологический сбой в процессе реконсолидации. В норме активация (вспоминание) ведет к стабилизации энграммы. Но согласно этой гипотезе, при болезни Альцгеймера из-за токсического воздействия бета-амилоида и тау-белка активация нейронных ансамблей, хранящих воспоминания, делает их гипервозбудимыми и уязвимыми, что в конечном итоге может приводить к их деградации и функциональному «стиранию», а не к укреплению.

В заключительной части лекции Константин Анохин подробно ответил на вопросы слушателей и обозначил ряд нерешенных проблем: как формируются ложные воспоминания, где именно «хранится» память — в синапсах или внутри самих нейронов, и каким образом можно использовать знания о молекулярных механизмах для разработки эффективных методов лечения когнитивных нарушений. Его выступление подчеркнуло, что память — это не архив, а живой, постоянно обновляющийся процесс, и ее изучение представляет собой самый настоящий вызов современной науке.

Второй день научной школы, посвященной нейропластичности, открыл перед аудиторией новые грани в понимании того, как наш мозг учится, запоминает информацию и взаимодействует с окружающим миром. Если еще вчера речь шла о фундаментальных законах памяти, то сегодня ученые из разных стран рассказали, как эти законы реализуются на практике среди самых разных существ — от пчел до мышей — и даже в чашках Петри.

Время определяет все: феномен окон пластичности

День начался с лекции академика Павла Балабана, который углубился в механизмы синаптической пластичности. Ученый объяснил, почему время — критически важный параметр для мозга. Оказалось, что кратковременная и долговременная память используют разные молекулярные машины. Первая основана на модификациях уже существующих белков и длится минуты, а для второй требуется «большая стройка» — включение генов и синтез новых белков, что занимает часы и даже дни.

Но главный сюрприз выступления — пересмотр роли глиальных клеток. Ранее считалось, что их функция сводится к метаболической поддержке нейронов. Однако новые данные показывают, что астроциты активно участвуют в процессах пластичности, выделяя сигнальные молекулы и даже микроРНК, которые переносятся в нейроны и регулируют их активность.

Особый интерес вызвали эксперименты, в рамках которых оптогенетическая стимуляция глиальных клеток вызывала либо потенциацию, либо депрессию нейрональной активности. Это доказывает, что глия не просто пассивный наблюдатель, а активный регулятор работы нейронных сетей. Более того, оказалось, что электрофизиологические процессы в нейронах длятся недолго, а в глии — значительно дольше, что указывает на их возможную роль в поддержании долговременных изменений.

Балабан предположил, что именно глиальные клетки, составляющие основную массу клеток мозга, могут быть ключевыми эпигенетическими регуляторами долговременной пластичности. Это открытие меняет парадигму: синапсы с их быстрыми изменениями выступают в роли эффекторов, но решение о долговременной перестройке принимается при участии глии.

Эволюция социального мозга: врожденные шаблоны узнавания

Профессор Джорджо Валлортигара из Университета Тренто (Италия) посвятил свое выступление тому, как мозг с самого рождения запрограммирован на социальное взаимодействие. На примере феномена импринтинга у цыплят он показал работу эволюционно древних «детекторов», настроенных на критически важные стимулы.

Эксперименты демонстрируют, что птенцы безошибочно предпочитают объекты, соответствующие врожденным шаблонам «лица» сородича: они активнее следуют за моделями, имеющими корректно расположенные «черты» — контрастные области, имитирующие глаза и клюв. Что важно, движение является ключевым триггером этого механизма — статичные объекты не вызывают реакции.

Лектор подробно остановился на нейробиологической основе этого поведения. С помощью методов визуализации активности мозга, в частности анализа экспрессии c-Fos, было продемонстрировано, что различные аспекты социального стимула возбуждают разные области мозга, которые работают вместе как единая сеть. Исследования показывают, что такие эволюционно консервативные области как септум и аркопаллиум демонстрируют выраженную активацию при предъявлении комбинированных социальных стимулов, в то время как визуальная конфигурация головы и шеи активирует иные паттерны нейронных ансамблей. Особый интерес представляет латерализация процесса обработки социально значимой информации — при предъявлении стимулов с изменяющейся скоростью наблюдается значительно более сильная активация в левом полушарии.

Отдельные паттерны нейронной активности были выявлены при распознавании движения живого объекта или его симуляции. Таким образом, современные данные рисуют сложную картину, в рамках которой различные области мозга вносят специфический вклад в обработку отдельных компонентов социально значимого стимула, включая его форму, движение и их комплексное взаимодействие.

Эта работа — напоминание, что сложное социальное поведение строится на фундаменте врожденных механизмов узнавания, отточенных миллионами лет эволюции.

На что способен миниатюрный мозг пчелы: анализ сложных форм обучения

Лекция следующего спикера, Мартина Джурфы из Университета Сорбонна в Париже была посвящена удивительным когнитивным способностям медоносной пчелы, чей мозг размером всего 1 куб. мм демонстрирует сложные формы обучения. Исследования, результаты которых были представлены в рамках научной школы, проводились с помощью двух основных методов: наблюдения за пчелами в свободном полете для изучения навигации и экспериментов с обездвиженными особями для анализа клеточных механизмов памяти через классическое обусловливание — связывание запаха с получением награды (сахарозы).

Главное открытие заключалось в том, что пчелы способны к решению абстрактных задач. Они усваивают концепции сходства и различия, успешно перенося правило «выбирай такой же стимул» с цветов на совершенно новые черно-белые паттерны. Кроме того, они решают нелинейные задачи типа Negative Patterning, в рамках которых необходимо не реагировать на комбинацию стимулов (АБ-), которые по отдельности сопряжены с получением награды (А+ и Б+).

Ключевую роль в этих процессах играют грибовидные тела — область мозга насекомых, ответственная за сложную интеграцию информации. Эксперименты с обратимой локальной анестезией (с использованием прокаина) показали, что при временном «отключении» грибовидных тел пчелы теряют способность решать сложные задачи, сохраняя при этом простые ассоциации. Были идентифицированы специфические ГАМК-эргические нейроны (A3-v и A3-d), создающие сложные контуры обратной связи для этих вычислений.

Исследования Мартина Джурфы и его коллег имеют крайне важное практическое значение: они позволяют изучать, как пестициды могут избирательно нарушать сложные формы обучения пчел, не убивая их сразу, но медленно, не напрямую, разрушая пчелиные семьи. Перспективы применения полученных данных заключаются в разработке методов тестирования воздействия пестицидов, которые могут незаметно подрывать когнитивные функции пчел, что в конечном итоге угрожает их способности к опылению и выживанию колоний.

Однако главный вывод выступления — сложные формы поведения могут быть реализованы и в пределах миниатюрной нервной системы, представляя собой универсальный принцип организации нейронных сетей, который особенно уязвим для химических воздействий.

Нейроны-«специалисты»: новые данные о репрезентации пространства и поведения

Представленная в ходе выступления следующего спикера работа позволила слушателям окунуться в удивительный мир гиппокампа — центра памяти и навигации. Ольга Ивашкина поделилась, как с помощью миниатюрных микроскопов, имплантированных в мозг свободно перемещающихся по камере мышей, ученые наблюдают за активностью сотен отдельных нейронов в реальном времени. Это исследование раскрывает, как гиппокамп функционирует подобно сплоченному коллективу узкопрофильных экспертов.

Помимо известных «клеток места», активирующихся в определенных областях пространства (координатах), существует целый спектр нейронов-специалистов. Некоторые клетки избирательно реагируют на взаимодействие с конкретными объектами — например, знакомой миской для еды. При этом активность нейрона не привязана жестко к месту или внешнему виду, а связана с значением объекта для мыши. Другие нейроны специализируются на отслеживании динамических параметров: скорости перемещения и направления движения головы, обеспечивая непрерывное обновление навигационной информации.

Особый интерес представляют клетки, связанные с выполнением конкретных действий. Четко выделяются «нейроны замирания», активирующиеся в моменты полной неподвижности, часто связанной с состоянием страха. Отдельные клетки могут отвечать за акт нажатия на рычаг или обследования нового предмета. Наиболее сложную категорию составляют концептуальные нейроны, чья активность связана не с простым стимулом, а с его смысловым значением — например, распознаванием «гнездового материала» или «социального партнера».

Методология исследований сочетает видеосъемку высокого разрешения с машинным обучением для автоматического отслеживания позы животного и сопоставления каждого поведенческого акта с паттернами нейронной активности. Главный вывод заключается в том, что гиппокамп представляет собой не просто навигационную систему, а сложнейшую базу данных, в которой каждый элемент — место, объект, действие — получает свою уникальную нейронную метку. Формирование воспоминания, по-видимому, представляет собой создание уникальной комбинации активности таких специализированных нейронов, которые вместе кодируют целостное переживание.

Механизмы пластичности в культивируемых нейронных сетях

Завершила день лекция Ирины Мухиной о культивируемых нейронных сетях. Ученые выращивают живые сети из нейронов на специальных чипах, создавая упрощенные модели мозга «в пробирке». Эти системы, вопреки простоте, демонстрируют сложную ритмическую активность, похожую на активность реального мозга, и даже способны к простым формам обучения.

Ключевым прорывом стало создание направленных нейросетей с помощью микрофлюидных технологий. Ученые размещают нейроны в отдельных камерах, соединенных микроканалами-проводниками. Это помогает не только направлять рост нервных клеток, но и создавать из них упорядоченные структуры, похожие на настоящие сети внутри мозга. В таких условиях исследователи наблюдают удивительные явления — от самоорганизации ритмической активности до передачи информации между модулями.

Практическое значение таких систем невозможно переоценить. Они обещают стать идеальной платформой для изучения болезней Альцгеймера и Паркинсона, позволив тестировать лекарства, не прибегая к экспериментам на животных. Особый интерес представляет моделирование нейродегенерации — ученые могут вызывать контролируемые повреждения и наблюдать, как сеть перестраивается или деградирует.

Перспективы технологии впечатляют: от создания биологических нейропротезов до разработки принципиально новых вычислительных систем, объединяющих живые нейроны и электронику. Подобные исследования стирают грань между биологией и другими науками, приближая нас к разгадке величайшей тайны — природы сознания и механизмов обучения.

Второй день школы ясно дал понять, что, несмотря на колоссальные различия в размерах и сложности устройства мозга разных животных: от пчелы до человека, ключевые принципы его работы остаются общими и сводятся к способности меняться под воздействием опыта, кодировать информацию с помощью специализированных клеток и хранить ее благодаря молекулярным перестройкам. Понимание этих принципов — ключ не только к лечению болезней, но и к созданию искусственного интеллекта, работающего в соответствии с законами живой природы.

Мероприятие организовано научным центром «Идея» совместно с Институтом перспективных исследований мозга МГУ им. М.В. Ломоносова, при партнерском участии Национального исследовательского Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. Научная школа проходит также при поддержке Десятилетия науки и технологий.

Руководитель программы «Мозг» и научный директор центра «Идея», член-корреспондент РАН Тагир Аушев говорит: «Научные школы — один из проектов программы «Мозг» научного центра «Идея». Он направлен на поддержку талантливых молодых специалистов в области нейронаук, на их профессиональное становление. Благодаря таким научным школам и другим проектам нашего центра молодые исследователи имеют возможность общаться на профессиональные темы не только со своим научным руководителем, но и с другими ведущими учеными, а еще и с такими же аспирантами, как они. В результате такого постоянного общения за 5 лет у нас сформировалось нейросайнс коммьюнити из наиболее активных и мотивированных ученых: более старшего поколения и молодых, только начинающих свой путь в науке, но объединенных общими интересами и стремлениями. Каждая школа посвящена определённой тематике. В основе лекций школы 2025 года лежат знания о поведенческих и нейробиологических основах обучения, памяти и пластичности мозга. Будут рассмотрены результаты многолетней работы тысяч ученых из различных областей нейронауки, данные о самых последних открытиях и достижениях». Текст: Богдан Скиба