После тренировочных сессий стимуляция блуждающего нерва позволила мышам прочнее усвоить двигательный навык. Положительный эффект наблюдался не сразу во время выполнения задания, а спустя несколько дней. Ученые из Университета Тохоку в Японии выявили также корреляцию между качеством обучения и периодическими колебаниями кровяного объема в мозжечке. Почему процессы, происходящие после практики, могут быть значимы для удержания навыка и какую роль в этом играют телесные сигналы, разбирались «Известия».

Тренировка завершается, а закрепление навыка продолжается

Умение правильно выполнять движение на занятии и удерживать приобретенный навык в последующие дни — это не одно и то же. В своей новой работе исследователи обратили внимание на посттренировочные процессы, которые способны поддерживать долгосрочное обучение.

Группа ученых исследовала, может ли электрическая стимуляция периферического нерва влиять на закрепление моторного навыка. Подобный метод дает возможность анализировать, как сигналы, поступающие от тела, участвуют в изменениях, происходящих в мозге.

Справка «Известий»

Блуждающий нерв представляет собой один из ключевых каналов связи между внутренними органами и головным мозгом. Информация по нему движется в обе стороны: мозг получает данные о состоянии организма и отправляет сигналы, которые управляют работой органов.

В ходе эксперимента исследователи стимулировали этот нерв электрическими импульсами. Их интересовал не только итоговый уровень обучения, но и сопутствующие изменения в мозге.

Методика обучения мышей отслеживать движущиеся полосы

В работе применялась задача, основанная на горизонтальной оптокинетической реакции — непроизвольных движениях глаз, возникающих при созерцании движущегося изображения. Животные учились точнее следить за зрительными полосами, которые перемещались.

Подобное явление знакомо людям, стоящим на платформе и наблюдающим за проходящим поездом: взгляд сопровождает движение, а затем возвращается в исходное положение. В лабораторных условиях ученые измеряли, как эта реакция трансформируется по мере обучения.

Такой вид моторной адаптации зависит от функционирования мозжечка. Он дает возможность исследовать определенный навык, у которого можно измерить результат и отследить его динамику на протяжении нескольких дней.

Исследователи сконструировали компактный манжетный электрод, который устанавливали вокруг левого блуждающего нерва в шейной области грызунов. Благодаря такой конструкции можно было многократно стимулировать нерв по завершении тренировок.

Влияние стимуляции проявлялось в последующие дни

Главной отличительной чертой эксперимента было время стимуляции: ее выполняли после каждого занятия. Непосредственно в ходе тренировки быстрого улучшения показателей не зафиксировали. Отличия проявились позднее: в последующие дни животные, подвергавшиеся стимуляции, демонстрировали более заметное долгосрочное обучение.

Авторы считают, что такие результаты свидетельствуют о вероятном воздействии на механизмы закрепления навыка. В нейробиологии эти механизмы ассоциируют с консолидацией — процессом преобразования нового опыта в более стабильные изменения, которые поддерживают память.

«Главное здесь то, что стимуляцию блуждающего нерва проводили только после тренировки», — подчеркнул профессор Университета Тохоку Ко Мацуи.

Профессор высказал предположение, что стимуляция способна формировать дополнительное «окно возможностей» для обучения, повышая восприимчивость внутренней среды мозга к долгосрочным перестройкам. Вместе с тем эксперимент не определил универсальную длительность такого окна. Ученые тестировали конкретный режим воздействия применительно к одной двигательной задаче.

Изменения в сосудистой системе мозга

Одновременно исследователи анализировали динамику локального кровяного объема возле клочка мозжечка — участка, задействованного в изучаемой зрительно-моторной адаптации. Для наблюдения применяли волоконную фотометрию. Эта методика давала возможность фиксировать оптические сигналы, обусловленные изменениями объема крови в интересующей зоне.

Однократный сеанс стимуляции приводил к двухфазному ответу: локальный объем крови сначала кратковременно уменьшался, а затем с отсрочкой возрастал. При многократных воздействиях эти изменения складывались в ритмические колебания.

Животные с более сильными колебаниями, как правило, показывали лучшие результаты обучения к пятому дню. На этом основании было сделано предположение, что сосудистый ответ может быть сопряжен с условиями, которые способствуют закреплению навыка.

В то же время измерение объема крови не обеспечивает полной картины кровоснабжения и метаболизма. Ученые не регистрировали напрямую потребление кислорода или параметры энергетического обмена, поэтому механизм обнаруженной взаимосвязи требует дальнейшего уточнения.

Зачем исследовать обучение в контексте физического состояния

По словам Мацуи, данная работа развивает изучение условий, при которых происходят перестройки нервных связей. Для обучения значима не только активность самих нейронов, но и окружающая их среда.

Функционирование нервных клеток зависит от поступления кислорода и питательных веществ, контактов с другими клетками и общего физиологического состояния. Поэтому сигналы, идущие от внутренних органов, могут быть важны как один из факторов, определяющих условия для обучения.

Традиционно эффекты стимуляции блуждающего нерва рассматривают сквозь призму нейромодуляции — изменения активности систем, использующих химические посредники для передачи сигналов. Авторы настоящего исследования предлагают дополнительно учитывать динамику сосудов.

«Наш мозг может сильнее зависеть от влияния тела, чем мы предполагаем», — отметил первый автор исследования Цзюньюй Чэнь.

По мнению Чэня, исследование метаболической среды мозга, в том числе ритмических изменений сосудов, в будущем может помочь разобраться, как сохранять обучаемость. Однако сейчас это лишь направление для дальнейших изысканий, а не проверенный метод улучшения навыков у людей.

Подтвержденные данные и открытые вопросы

Исследователи доказали, что посттренировочная стимуляция улучшала долгосрочное обучение в примененной модели на мышах. Кроме того, они выявили сосудистые колебания и их корреляцию с дальнейшими результатами.

Однако это не является доказательством того, что именно колебания послужили причиной улучшения. В комментарии к статье Мацуи особо отмечает, что обнаруженная связь имеет корреляционный характер. Стимуляция могла активировать несколько процессов, вклад которых еще предстоит разделить в последующих опытах.

Помимо этого, исследование сфокусировано на одном типе двигательной адаптации у грызунов. Оно не демонстрирует, что подобное воздействие позволит людям быстрее осваивать иностранные языки, музыкальные инструменты или эффективнее запоминать учебные материалы.

Будущие работы будут нацелены на уточнение параметров стимуляции и ее воздействия на сосудистые и метаболические процессы. Это даст возможность выяснить, какие именно изменения действительно требуются для закрепления навыка и в какой мере полученные результаты можно распространить на другие формы обучения.