Топография норадренергических нейронов голубого пятна в мозге мыши. На карту нанесены около 100 полностью реконструированных нейронов. Нейроны окрашены в соответствии с их расположением. Дорсальные нейроны (фиолетовые) проецируются в переднюю часть мозга, вентральные (желтые) нейроны — в заднюю. Источник: Институт Аллена

Ученые, изучающие «голубое пятно» в мозге, обнаружили самый длинный нейрон, когда-либо измеренный у мышей, и получили новые данные о том, как мозг обучается.

Когда мыши в эксперименте по принятию решений меняли свой выбор после отрицательного результата, активизировались нейроны в верхней части крошечной области ствола головного мозга. Непосредственно перед тем, как мыши игнорировали сигналы, которые могли привести к вознаграждению, нейроны в нижней части активизировались быстрее.

Эти соседние группы нейронов относятся к голубому пятну (лат. locus coeruleus, LC). На этот небольшой кластер приходится лишь малая часть клеток мозга, но он вырабатывает норадреналин (НА) — нейромедиатор, который помогает регулировать внимание и способность к обучению, активирует реакцию организма на стресс или возбуждение и влияет на частоту сердечных сокращений.

Ученые долгое время считали, что голубое пятно — это своего рода громкоговоритель, транслирующий единый сигнал по всему мозгу. В новом исследовании, опубликованном в Nature, ученые из Института Аллена объединили методы визуализации мозга, нейронной записи, генетические инструменты и поведенческие эксперименты на мышах, чтобы изучить, как связи и активность этой области мозга связаны с тем, что испытывает животное.

«Полученные данные свидетельствуют о том, что система норадреналина в мозге больше похожа на адресную почтовую сеть, чем на сирену», — сказал Карел Свобода, директор отдела нейронной динамики в Институте Аллена и соавтор исследования. 

Реконструкция нейрона голубого пятна длиной 70 см у мыши — самого длинного из когда-либо измеренных. Фото: Институт Аллена

Отдельные пути для обучения и вовлеченности

Отслеживание этих связей выявило различные направления. Нейроны в верхней, или дорсальной, части голубого пятна связаны в основном с корой головного мозга и передним мозгом. Нейроны в нижней, или вентральной, части голубого пятна связаны со стволом и спинным мозгом. Эти пути определяют, куда нейроны посылают сигналы, вызывающие высвобождение норадреналина.

Работа включала в себя визуализацию почти 35 000 нейронов всего мозга, генетическое профилирование почти 400 000 клеток для изучения активности генов и полную реконструкцию некоторых из самых сложных клеток мозга. Таким образом, исследователи смогли сопоставить физические связи нейронов с их генетическими характеристиками и активностью во время поведенческих реакций.

«В результате мы получили четкую карту: нейроны в дорсальной части голубого пятна, посылающие сигналы в кору головного мозга, участвуют в процессе обучения, в то время как нейроны в вентральной области, проецирующиеся вниз, в ствол и спинной мозг, определяют, будут ли животные взаимодействовать с окружающей средой, — говорит Свобода. — Мы также показали, что эти анатомические различия отражаются в различных паттернах экспрессии генов».

Аксон длиной 27,7 дюйма минует участки мозга

Реконструкция отдельных нейронов голубого пятна также показала, насколько обширными могут быть их связи. Их аксоны — длинные отростки, передающие сигналы другим клеткам, — в среднем достигали 35 сантиметров в длину. Один из них был 70,32 сантиметра в длину, что делает его самым длинным нейроном, когда-либо измеренным у мыши.

«Этот нейрон, как и многие другие, которые мы изучали, снабжает норадреналином очень большой объем коры головного мозга. Для мозга это крайне необычно. Большинство нейронов более избирательны в своих мишенях, — говорит Джеремайя Коэн, ученый из Института Аллена и соавтор исследования. — Но этот нейрон не выделяет норадреналин повсюду. Он игнорирует мозжечок, ствол мозга и спинной мозг». 

Сью Су, научный сотрудник Института Аллена. Фото: Институт Аллена

Исследование, связанное с обучением, также позволило ученым провести параллели с дофамином — еще одним важным нейромедиатором, передающим сигналы в базальные ядра — область мозга, отвечающую за формирование привычек. Ученые предполагают, что системы норадреналина и дофамина работают вместе как платформа для обучения, позволяя мозгу одновременно усваивать множество сложных и абстрактных понятий.

Препараты, воздействующие на норадреналин, могут быть нацелены на определенные нейронные цепи

Роль норадреналина в регуляции настроения и внимания уже делает его мишенью для распространенных препаратов от депрессии, тревожности и синдрома дефицита внимания и гиперактивности. Нейроны голубого пятна также одними из первых подвергаются дегенерации при болезни Альцгеймера.

Выявленная у мышей организация может в конечном итоге помочь исследователям разработать методы лечения, нацеленные на определенные части системы, что снизит вероятность того, что одни нейронные цепи будут работать лучше, а другие — хуже.