Всего на конференции было представлено около восьмидесяти приглашенных или тщательно отобранных докладов. Я расскажу о нескольких, наиболее интересных, с моей точки зрения.

Первое совмещение в одном эксперименте оптической регистрации активности нейронов с оптической стимуляцией

Многие десятилетия нейробиологи, изучающие механизмы поведения, мечтали об идеальном эксперименте, в котором активность нейронов можно регистрировать во время естественного поведения животного и параллельно менять ее, отслеживая последствия этих изменений в поведении. Основным методом регистрации активности нейронов была и остается электрофизиология: до сих пор ни один другой метод не дает столь хорошего частотного и амплитудного разрешения электрических сигналов нейронов. Однако этот метод крайне затруднительно совмещать с мечтой о естественном свободном поведении, не травмированного животного.

Появившиеся около 15 лет назад оптогенетические методы, хотя и уступали электрофизиологии в точности регистрации и стимуляции нейронов, все это время приближали мечту к действительности. По крайней мере, на избранных генетических объектах: мыши, дрозофиле, нематоде C. еlegance научились встраивать в геном нейронов гены либо кальций-чувствительных флуоресцентных белков, либо родопсин-подобных белков. Первые повышают световое излучение при изменении мембранного потенциала клетки (и соответственно, концентрации кальция) и, таким образом, позволяют следить за активностью нейронов во время поведения. Вторые, наоборот, меняют конформацию в ответ на внешний оптический сигнал и открывают ионные каналы в мембране, что приводит к изменению активности конкретных нейронов и позволяет изучать роль этих нейронов в организации поведения. Однако до сегодняшнего дня мечта оставалась реализованной в виде двух несовмещающихся половинок: исследователи могли реализовать либо один вариант эксперимента с регистрацией, либо другой - со стимуляцией.

Методической сенсацией стало сообщение Майкла Хаузера (Michael Hausser) из Лондонского университета (Великобритания) об успешном соединении обоих оптических методов в одном эксперименте. Его доклад "All-optical interrogation of neural circuits in behaving animals" вызвал большой интерес и много вопросов. Большую роль в осуществлении этого подхода сыграло программное обеспечение, опирающееся на принципы нейрональной эфферентной копии (см. подробнее про эфферентную копию (efference copy) https://en.wikipedia.org/wiki/Efference_copy) и позволяющее отличать оптический поток, внесенный экспериментатором для стимуляции клеток, от оптического сигнала возбужденных нейронов.

Как запоминается последовательность событий в гиппокампе? Двойной код Тонегавы.

У участников симпозиума была возможность послушать новые результаты и пообщаться с нобелевским лауреатом Сусуму Тонегавой (Susumu Tonegawa, Riken-MIT laboratory for neural circuit genetics, USA). После знаменитых работ, доказывающих существование памятного следа в виде энграмм – популяций нейронов с повышенной активностью, новой задачей для Тонегавы стал поиск механизмов сохранения последовательностей событий в гиппокампе. Статья, результаты которой были доложены на симпозиуме, сейчас возвращена журналом на дополнительную экспериментальную проверку. А основные результаты таковы. Мышей вознаграждали сыром после первого выхода из простого квадратного лабиринта (нужно обежать куб в кубической арене по часовой стрелке), а потом – только после каждого четвертого пробега по лабиринту и выхода из него. После обучения мышей такой процедуре следили за изменением активности нейронов в гиппокампе, используя упомянутый выше оптический метод регистрации активности. Были найдены популяции клеток, активирующиеся только при пробегании первого цикла, второго и так далее. При этом нейроны карты местности, узнающие конкретные области экспериментального пространства, например, левые и правые углы внутреннего куба, оставались неизменны и активировались при каждом пробеге около соответствующей точки. Популяции нейронов, отмечающих топологические и временные характеристики, частично могли перекрываться. Нарушить строгий учет и контроль за числом пробегов в виде «считающих циклы» нейронов можно было, внеся хаос в систему подкрепления. А вот если мышей, обученных считать четыре цикла, начинали вознаграждать только после пятого пробега, то оказалось, что нейроны пятого цикла выделялись из популяции нейронов, метивших ранее последний, т.е. четвертый цикл. Хотя остается еще много вопросов, работа Тонегавы стала первым исследованием, указывающим на существование двойного кода памяти, включающего нейрональный код событий (мест) и подобный ему отдельный код их последовательности.

Что проигрывается в гиппокампе в покое: то, что было, или то, что планируется?

Еще одно исследование с применением оптической регистрации, вызвавшее оживленное обсуждение, проверяло, чему соответствует известное проигрывание (replay) в гиппокампе: воспоминаниям о последнем опыте или предикативным планам животного. Маттиус ван дер Меер (Matthijs van der Meer, Dartmouth College, USA) обучал мышей ходить либо налево, либо направо, чтобы получить вознаграждение. Задача же заключалась в том, чтобы запомнить, в какой день нужно идти направо, а в какой - налево. Мыши могли ошибаться в этом выборе. Анализировали, чему соответствует активность в гиппокампе в состоянии покоя: прошлому или предстоящему выбору. Результат оказался неожиданным. Обнаружилась выраженная негативная корреляция с последующим выбором, то есть в гиппокампе у мышей проигрывался выбор, обратный тому, который они потом делали, нежелательный. Очевидно, результат стал хорошей почвой для всевозможных соображений и спекуляций. Однако его еще предстоит проверить на других моделях, чтобы понять, насколько он отражает общую закономерность.

Управляемые мыши Оле Киена

Поведенческие эффекты оптической стимуляции локомоторных центров ствола мозга мышей представил Оле Киен (Ole Kiehn, Department of Neuroscience, Karolinska Institutet, Sweden). Мишенями служили глутаматергические нейроны двух структур: клиновидного ядра продолговатого мозга (cuneiform nucleus (CnF)) и педунколопонтийного ядра (pedunculopontine nucleus (PPN)). Автор сослался на пионерные работы пятидесятилетней давности группы Орловского из Москвы, впервые показавшие связь этих структур с активацией локомоции у кошки. Стимуляция глутаматергических нейронов области PPN активировала медленную локомоцию и исследовательское обнюхивание разнообразных объектов на арене у мыши в свободном поведении. Прекращение стимуляции сопровождалось резким прекращением исследовательской активности и сменой поведения, повторное включение фотостимуляции возвращало животное к прерванной исследовательской активности. Стимуляция CnF активировала быструю интенсивную локомоцию и выключала исследовательское поведение. Предположительно, это ядро связано с избеганием опасности. Наибольшее впечатление произвела, конечно, видеодемонстрация эксперимента, в котором животное напоминало управляемую игрушку. Оставалась надежда, что записи, в которых животное не столь явно подчинялось навязанным оптической стимуляцией приказам, все же существуют.

Каждому - по одеялу (Маркова)

Самый цитируемый в нейробиологии исследователь, теоретик Карл Фристон, не использует методы оптогенетики, он развивает свою теорию мозга на основе принципа снижения свободной энергии, или уменьшения неопределенности. В последние годы предикативностью он наделяет не только нервную систему, но любой живой организм, рассматривая способность к снижению неопределенности как основное отличие между живым и неживым. Но здесь возникает совершенно очевидная трудность: живые существа настолько отличаются по образу жизни и сложности организации, что трудно представить, как предсказательная способность амебы и человека может в равной степени обеспечить их выживание. Да и конкретный вопрос: а что именно необходимо предсказывать каждому живому существу, в чем именно снижать неопределенность, не снят с повестки дня. В своей лекции на Гейдельбергской конференции, Карл Фристон познакомил биологов с одеялом Маркова (см. https://en.wikipedia.org/wiki/Markov_blanket). Эта теоретическая конструкция, используемая в технике и статистике, предполагает, что для того, чтобы предсказать поведение элемента, не нужно знать все об обширном мире, окружающем его (или всю сеть в терминах сетей Маркова), достаточно иметь информацию о нескольких соседних родственных элементах, составляющих так называемое одеяло Маркова для этого элемента (узла). То есть одеяло узла - это единственное знание, необходимое для прогнозирования поведения этого узла и его дочерних элементов. Смогут ли биологи использовать это знание, пригодится ли оно им, покажет будущее. Но участники конференции запомнили красивую структуру и с удовольствием находили интуитивные ассоциации с ней в своих моделях.

Рис.1 Одеяло Маркова для узла А. Для того, чтобы прогнозировать поведение А и его дочерних элементов (под стрелками), достаточно знать состояние элементов, находящихся «под его одеялом». К одеялу всегда относятся непосредственные причины, или «родители А», непосредственные следствия поведения А, или «дети А», а также другие непосредственные родители детей А. Элементы вне одеяла (бабушки, внуки и родители других родителей) не имеют значения для прогнозирования поведения А.

Как угасить неугашаемый условный рефлекс?

Неугашаемость условных рефлексов с отрицательным подкреплением представляет проблему не только для павловской теории условных рефлексов (предполагающей, что условный рефлекс угаснет при длительном предъявлении условного стимула (УС) без подкрепления безусловным (БС)), но и для реальной психопатологической практики у людей. Формирование многих устойчивых фобий является следствием такого «неугасания». Йел Нив (Yael Niv) из Принстонского Университета, США, предложила новую интерпретацию этого явления, подкрепленную экспериментальными результатами. Она предположила, что мозг формирует два разных кластера для УС-БС и для УС, рассматривая их как два разных явления, каждое со своей «скрытой» причиной. Именно поэтому, сколько бы ни предъявлялся УС без подкрепления, представление о существовании структуры УС-БС никогда не исчезает полностью, а следовательно, не исчезают и реакция страха, демонстрируемая животным в ответ на один только УС. Как сделать так, чтобы мозг не формировал новый кластер для УС без БС, а перестроил или стер прежнюю связь? Группа Нив показала, что добиться такого угасания можно, если постепенно снижать силу (вредоносность) БС. Эти результаты согласуются с идей о том, что мозг кластеризует явления, принимая решения о том, относится явление к уже известному кластеру или принадлежит новому. Полученные результаты могут иметь практическое приложение.

В заключение несколько слов о замечательной организации мероприятия. Оно проходило в ЕМВО лаборатории в лесистом горном пригороде Гейдельберга (см. рис. 2 и 3). Небольшое количество участников (около ста человек) и ежедневные совместные перерывы на кофе, обеды и ужины обеспечили тесное общение всех участников между собой и возможность задать все интересующие вопросы докладчикам, среди которых были настоящие лидеры в своих областях, такие как Карл Фристон, Сусуму Тонегава и другие. Российские участники были представлены квадригой из ИБР и ИПУ РАН с одним устным и тремя постерными докладами о поведенческой модуляции, ее клеточных механизмах и математических моделях центральных генераторов паттерна у беспозвоночных.

Рис. 2. Лаборатория EMBO в Гейдельберге, Германия.

Рис. 3. Постерная сессия на одной из спиралей EMBO-ДНК уже закончилась,
но участники еще здесь. “You are C to my G, you are A to my T”.

Новость подготовила © Дьяконова В.Е.

31.05.2019