Elektryczna stymulacja mózgu to technika znana już od dziesięcioleci i z powodzeniem stosowana w różnych formach w terapii schorzeń takich jak depresja czy choroba Parkinsona. Obecnie polega ona jednak na manipulowaniu dużymi grupami neuronów, których dokładna funkcja i znaczenie dla danego zaburzenia w większości jest nieznane. Naukowcy z Uniwersytetu Columbia postanowili sprawdzić czy możliwe jest wykorzystanie tej metody do o wiele bardziej precyzyjnego aktywowania pojedynczych, wybranych komórek nerwowych.
Zespół wykazał, że określone grupy neuronów, nazywane zespołami neuronalnymi, odgrywają istotną rolę w determinowaniu odpowiednich zachowań. Naukowcy wykorzystali narzędzia optyczne i analityczne do identyfikacji tych zespołów u myszy podczas wykonywania zadania wzrokowego. Za pomocą optogenetyki o wysokiej rozdzielczości namierzyli pojedyncze komórki, które odpowiadały za kontrolę zachowania. Aktywując je, mogli bezpośrednio wpływać na czynności wykonywane przez zwierzę: precyzyjna aktywacja neuronów związanych z wykonaniem zadania poprawiała jego dokładność, natomiast stymulacja tych, które związane z nim nie były, wpływała negatywnie na wydajność myszy.
“To najbardziej ekscytujące dzieło, jakie miało miejsce w moim laboratorium od dziesięcioleci, ponieważ udowadniamy, że zespoły korowe są kluczowe dla zachowania i że możemy manipulować nimi, by wpływać na wolę zachowania zwierząt – mówi prof Rafael Yuste, współautor badania. – Dane wskazują ponadto, że zespoły neuronalne są wewnętrznymi reprezentacjami bodźca wzrokowego.”
Naukowcy wykorzystali opracowaną przez siebie metodę obrazowania wapniowego, która pozwoliła im obserwować wyładowania pojedynczych neuronów, a także optogenetykę dwufotonową, dzięki której byli w stanie wpływać na aktywność konkretnych komórek nerwowych. Naukowcy monitorowali aktywność mózgu myszy podczas gdy te uczyły się kojarzyć bodziec wzrokowy – pionowe paski prezentowane na ekranie – z piciem wody z poidełka. Gdy zwierzęta nauczyły się właściwie reagować na obraz, możliwe było zidentyfikowanie pojedynczych neuronów, które odpowiadały za powstawanie reprezentacji pasków w korze mózgowej. Następnym krokiem była ich aktywacja za pomocą lasera dwufotonowego. Działanie to pomogło myszom reagować poprawnie na obraz pasków. Co więcej – nawet, gdy nie wyświetlano im obrazu, sprawiała ona, że zaczynały lizać poidełko. Skutek ten udało się osiągnąć także wówczas, gdy stymulacji poddawano jedynie dwa neurony, jeśli tylko należały one do grupy specyficznie związanej z tym zachowaniem.
“Fakt, że można zastąpić bodziec zmysłowy poprzez aktywację kilku neuronów wskazuje na to, że możemy zacząć zbliżać się do zrozumienia czym jest percepcja lub myśl – mówi prof Yuste. – A to może być ważny krok w kierunku zrozumienia jak działa nasz umysł.”
Wyniki badań zespołu z Uniwersytetu Columbia mogą mieć istotne znaczenie także dla medycyny. Identyfikacja nowych ważnych z punktu widzenia fizjologii zespołów neuronalnych może bowiem zostać wykorzystana do reorganizacji wzorców aktywności w obrębie docelowych neuronów oraz do przeprogramowania wadliwych obwodów neuronalnych. Być może uda się w ten sposób leczyć stany patologiczne, do których powstania przyczyniają się wadliwe wzorce. Dzieje się tak w wielu chorobach neurologicznych i psychicznych, takich jak choroba Alzheimera, schizofrenia czy choroba Parkinsona.
