Исследователи из Медицинского кампуса Университета Колорадо изучили влияние стимуляции блуждающего нерва на нейроны моторной коры головного мозга, обеспечивающие обучение двигательным навыкам. Выяснилось, что в результате стимуляции снижается время обучения и улучшается воспроизводимость нового умения. Результаты исследования опубликованы в журнале Neuron.
Стимуляция блуждающего нерва вызывает острую нейрональную супрессию и активацию в моторной коре переднего мозга. а. Размещение градиентной линзы и минископа над первичной моторной корой, со стимулирующей манжетой на шее и ее проволочными разъемами на верхней задней части черепа. b. Активированные (красные) и супрессированные (синие) в результате стимуляции блуждающего нерва нейроны моторной коры. Credit: biorxiv
Стимуляция блуждающего нерва (Vagus nerve stimulation, VNS) представляет собой вспомогательный нейромодуляторный метод лечения и реабилитации пациентов с некоторыми неврологическими заболеваниями (например, эпилепсией). Однако механизм, с помощью которого VNS влияет на центральную нервную систему, недостаточно хорошо описан, что ограничивает терапевтическое применение технологии.
В этой работе исследователи обучали здоровых мышей задаче, которую им обычно трудно выполнить – протянуть переднюю лапку через щель и схватить пищевую гранулу со столба. Перед этим животным имплантировали стимулирующую манжету в левый шейный отдел блуждающего нерва.
Для того чтобы определить оптимальное время стимуляции блуждающего нерва, применяли несколько протоколов: псевдослучайный интервал стимуляции (Random VNS), стимуляция во время начала движений до достижения результата (Reach VNS) и стимуляция после успешного достижения результата (Success VNS).
Стимуляция блуждающего нерва модулирует обучение при специфичных временных условиях. a. Схема имплантации стимулирующей манжеты. b. Временная шкала проведения эксперимента. c. Схема исследования с использованием протоколов Reach VNS и Success VNS. df. Графики, отражающие степень достижения успеха в протоколах Random VNS, Reach VNS и Success VNS за 14 сеансов обучения. Credit: biorxiv
Поскольку только в протоколе Success VNS удалось достигнуть улучшение обучения моторному навыку, это указывало на то, что стимуляция блуждающего нерва, вероятно, действует через механизмы, сопряженные с вознаграждением или подкреплением.
Далее в ходе исследования ученые обнаружили, что стимуляция блуждающего нерва управляет нейронной активностью базальных отделов переднего мозга, в состав которых входят холинергические нейроны. Холинергическая система связана с подкреплением и необходима для двигательного обучения.
На заключительных этапах исследования удалось установить, что стимуляция блуждающего нерва избирательно модулирует активность нейронов первичной моторной коры головного мозга, в особенности тех, которые реагируют на успешное достижение результата поведения.
Благодаря лучшему пониманию механизмов стимуляции блуждающего нерва использование этого метода может быть оптимизировано для повышения клинической эффективности лечения ряда неврологических состояний. Также дальнейшее исследование этой технологии может открыть новые возможности для обучения.
Текст: Павел Кулагин
Vagus nerve stimulation drives selective circuit modulation through cholinergic reinforcement by Spencer Bowles et al. in Neuron. Published July 2022. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2022.06.017
