Вчені з Колумбійського університету вперше продемонстрували експериментальне створення нейронних ансамблів - груп клітин, функціонування яких лежить в основі процесів навчання. Стаття опублікована в журналі.
Метою роботи було штучне створення спільно працюючих ансамблів нейронів у корі головного мозку. Такі ансамблі являють собою групи нейронів з сильними синаптичними зв'язками, які збуджуються майже синхронним чином. Кортикальні ансамблі збуджуються у відповідь на сенсорні або рухові стимули і, судячи з усього, є безпосередніми «будівельними блоками» пам'яті - іншими словами, складають фізіологічний субстрат енграми, або сліду пам'яті.
Для створення нейронних ансамблів автори використовували технологію оптогенетики, яка дозволяє довільно активувати популяції нервових клітин за допомогою опромінення мозку світлом певної хвилі. При цьому під дією спалаху світла збуджуються тільки ті клітини, які несуть світлочутливі рецептори, штучно вбудовані в їх мембрану. Зазвичай при цьому піддослідній тварині робиться «віконце» в черепі, через яке вводиться світловод або об'єктив мікроскопа (він дозволяє як проводити опромінення, так і записувати дані). У новій роботі, однак, вчені могли збуджувати не тільки популяції нейронів, але навіть окремі нервові клітини - для цього використовувався більш точний (двофотонний) метод опромінення. За активністю нейронів при цьому спостерігали за допомогою спеціальних флюоресцентних білків, які «загоряються» при збудженні клітини.
Виявилося, що багаторазова штучна активація нейронних популяцій дозволяє створити стабільні групи клітин з сильними синаптичними зв'язками - нейронні ансамблі. Ці ансамблі не порушують цілісності інших ансамблів клітин, що природно формуються - наприклад таких, що реагують на якийсь певний візуальний стимул. Штучні нейронні ансамблі зберігаються протягом багатьох днів, після чого їх можна реактивувати, не порушуючи при цьому цілісності інших ансамблів. Крім того, виявилося, що весь штучний нейронний ансамбль можна активувати цілком, простимулювавши всього одну клітку з його складу.
Автори статті розглядають свою роботу як підтвердження класичної гіпотези про природу навчання нейронів, запропонованої в 1949 році відомим канадським фізіологом Дональдом Хеббом (Donald Hebb). Згідно з цією гіпотезою, відомою сьогодні як теорія (правило) Хебба, одночасна активація групи нейронів призводить до утворення нейронних ансамблів, які є основною пам'яті. У більш сучасних термінах, правило Хебба описує базовий механізм синаптичної пластичності, згідно з яким «сила» синапсу, тобто ймовірність передачі через нього збудження, збільшується у відповідь на багаторазову активацію постсинаптичної клітини. Незважаючи на популярність теорії Хебба, експериментальне створення таких нейронних ансамблів досі нікому не вдавалося.
Раніше було показано, що інгібування нейронів, що входять в нейронний ансамбль (тобто складових енграму), дозволяє заблокувати процес спогаду. Іншими словами, відключення нейронів енграми дозволяє прицільно «прати» пам'ять про конкретні події. В іншому дослідженні було продемонстровано, що впливаючи методами оптогенетики на нейронні ансамблі, що кодують приємні спогади, можна штучно викликати у мишей ці спогади. Більш того, такі штучно викликані спогади виявилися здатні позбавити мишей від наслідків хронічного стресу і депрссії.