Во время обучения мозг разбивается на кластеры

Новые синапсы, образующиеся при обучении и запоминании, стараются расположиться неподалёку, образуя островок-кластер, в пределах которого укрепляют и поддерживают друг друга.

Обучение и запоминание происходят благодаря новым связям между нервными клетками: с помощью новых синапсов образуются новые нейронные цепи, в которые помещается новая информация. Сейчас связь между обучением и формированием новых синапсов уже стала общим местом. Но как именно происходит образование новых связей, каким закономерностям подчиняется? Учёные из Калифорнийского университета в Санта-Крусе (США) попробовали ответить на этот вопрос.

Предыдущие исследования показали, что двигательная активность стимулирует в нейронах моторной коры появление так называемых дендритных шипиков, особых выростов, впоследствии могущих превратиться в синапс. Теперь же учёные проанализировали, что происходит с синапсами моторной коры в течение цикла обучения.

Чтобы получить угощение, мыши должны были каждый раз выполнять одни и те же манипуляции. Исследователи, понаблюдав за образующимися синапсами, обнаружили, что во время обучения каждый следующий синапс формируется поблизости от предыдущего. То есть запоминание сопровождается кластеризацией синапсов; примерно треть межнейронных контактов образуют такие синаптические островки. Причём такие синапсы, находящиеся в пределах кластера, оказываются более долговечными, чем те, что сформировались вдали от соседей.

В статье, опубликованной в журнале Nature, авторы пишут, что соседние дендритные шипики, предшественники синапсов, могут поддерживать друг друга: если вблизи одного шипика образуется другой, то первый подрастает ещё, увеличиваясь в размере. То есть кластеризация способствует повышенной готовности к обучению и создаёт основу для формирования более прочных связей. В то же время исследователи отмечают высокую специализацию таких кластеров. В ходе эксперимента меняли условия: мыши должны были достать пищу с помощью других движений, не тех, что выполнялись раньше. В этом случае сформировавшиеся на прежнем моторном материале кластеры синапсов оказывались бесполезны — на их место приходили другие, соответствовавшие новому рисунку моторики.

Наконец, кластеризация возникала именно в условиях повторяющегося задания. Если мыши всякий раз должны были доставать пищу по-новому, то дендритные шипики и синапсы не образовывали никаких островков, лишь малая их часть тяготела друг к другу. То есть кластеризация наблюдалась при целенаправленном обучении, при повторении одних и тех же действий.

Очевидно, успешность запоминания связана с кластеризацией синапсов, но, к примеру, как часто следует повторять выучиваемое действие, чтобы образовался стабильный кластер, исследователи пока не знают. Работы в отношении синаптических кластеров будут продолжены, и не исключено, что трудам нейрофизиологов смогут найти применение в педагогических науках.

Подготовлено по материалам Калифорнийского университета в Санта-Крусе.