Нервный импульс, сосудистый ритм и память: стимуляция блуждающего нерва улучшила обучение мышей

Новое исследование на мышах показало: стимуляция блуждающего нерва может улучшать результаты обучения спустя несколько дней после тренировки и одновременно вызывать ритмические изменения кровотока в мозге. Работа опубликована в журнале iScience. Авторы предполагают, что эффект может быть связан не только с химическими сигналами между нервными клетками, но и с реакциями кровеносных сосудов.

Блуждающий нерв — крупнейший канал связи между мозгом и внутренними органами. Он проходит от ствола мозга через шею к грудной и брюшной полостям и участвует в автоматической регуляции сердцебиения, дыхания и пищеварения. Электрическую стимуляцию этого нерва уже применяют в медицине, в частности при некоторых случаях эпилепсии и депрессии. Обычно её действие объясняют изменением работы нейронных цепей и нейромедиаторных систем — химических механизмов, с помощью которых клетки мозга обмениваются сигналами.

Учёные из Университета Тохоку решили проверить, может ли в эффекте участвовать сосудистая система. Обучение требует энергии, а её доставляют к активным участкам мозга кровь и связанные с ней обменные процессы. Поэтому исследователи изучали не только нервные реакции, но и изменения объёма крови в мозжечковой клочковой доле — области, участвующей в выбранном виде зрительно-моторного обучения.

Мышам хирургически установили электрод-манжету вокруг левого шейного отдела блуждающего нерва. Благодаря этому животным можно было подавать контролируемые импульсы, пока они свободно двигались. Работу стимуляции проверяли по расширению зрачков и снижению частоты сердцебиения — типичным реакциям на воздействие нерва.

Для оценки обучения использовали горизонтальный оптокинетический рефлекс. Мыши с зафиксированной головой наблюдали за вертикальными полосами, которые двигались из стороны в сторону, и постепенно учились точнее отслеживать их глазами. За один день животные проходили четыре 15-минутные тренировки с часовыми интервалами. Сразу после каждого занятия части мышей проводили стимуляцию разной силы, а контрольную группу не стимулировали.

Во время первого дня темп обучения у групп не различался. Но при проверке на второй и пятый день стимулированные мыши лучше отслеживали движущиеся полосы. Сила импульса влияла на скорость появления эффекта: при более интенсивной стимуляции улучшение проявлялось уже на второй день, при менее интенсивной — к пятому.

Чтобы изучить кровоток, исследователи применили волоконную фотометрию — метод регистрации изменений светового сигнала в ткани через оптическое волокно. Дополнительный флуоресцентный белок в крови позволил отслеживать её объём. Каждый короткий эпизод стимуляции вызывал двухфазную сосудистую реакцию: сначала сосуды ненадолго сужались, затем расширялись сильнее и дольше. Поскольку импульсы повторяли в течение 20 минут после тренировки, в мозжечке возникали ритмические колебания объёма крови.

Мыши с наиболее выраженными сосудистыми колебаниями в среднем демонстрировали и лучший результат на пятый день. Однако авторы подчёркивают: исследование не доказало, что изменения кровотока непосредственно вызвали улучшение памяти. Учёные также не измеряли напрямую уровень АТФ, лактата, пирувата или потребление кислорода — показателей, связанных с энергетическим обменом мозга.

Кроме того, опыт проводили на мышах с инвазивной стимуляцией шейного отдела нерва. Поэтому результаты нельзя напрямую переносить на людей или бытовые неинвазивные устройства. Работа не подтверждает идею, что стимуляция блуждающего нерва способна «сделать человека умнее». Она лишь показывает: сигналы от тела могут менять среду мозга и, возможно, участвовать в процессах, поддерживающих длительную пластичность и закрепление навыков.

В следующих экспериментах исследователи планируют напрямую изменять активность сосудов — блокировать или усиливать колебания — и проверять, изменится ли обучение. Также они хотят одновременно отслеживать АТФ, лактат, пируват, кислород и сосудистую динамику во время стимуляции, сна и обучения. Авторы считают, что способность мозга учиться зависит не только от активности нейронов и синапсов, но и от работы глиальных клеток, сосудов, обмена веществ и сигналов внутренних органов.

Исследование «Стимуляция блуждающего нерва вызывает сосудистые колебания и усиливает долгосрочное обучение» подготовили Junyu U. Chen, Yoko Ikoma и Ko Matsui.