Недавно ученые обнаружили, что им удалось обучить мышей добровольно увеличивать размер и частоту, казалось бы, случайных дофаминовых импульсов в мозге. Традиционная мудрость в нейронауке гласит, что уровень дофамина изменяется исключительно в ответ на сигналы из внешнего мира. Новое исследование показывает, что повышение уровня дофамина может быть вызвано внутренними изменениями в мозге.
Дофамин - это небольшая молекула, которая содержится в мозге млекопитающих и связана с чувством награды и счастья. В 2014 году ученые изобрели новый метод измерения дофамина в режиме реального времени в различных частях мозга мышей. Используя этот новый инструмент, они обнаружили, что нейроны в мозге мышей выделяют большие всплески дофамина - так называемые импульсы - без видимых причин. Это происходит в случайные моменты времени, но в среднем примерно раз в минуту.
Павлов был знаменит тем, что смог приучить своих собак выделять слюну при звуке колокольчика, а не при виде пищи. Сегодня ученые считают, что звук колокольчика вызывал выброс дофамина, предсказывающего предстоящее вознаграждение. Если собаки Павлова могли контролировать свои дофаминовые реакции, основанные на сигналах, с помощью небольшого обучения, то нам стало интересно, могут ли наши мыши контролировать свои спонтанные дофаминовые импульсы. Чтобы проверить это, команда ученых провела эксперимент, в котором мышей вознаграждали, если они увеличивали силу своих спонтанных дофаминовых импульсов. Мыши смогли не только увеличить силу импульсов дофамина, но и частоту их возникновения. Когда ученые убрали возможность получения вознаграждения, дофаминовые импульсы вернулись к исходному уровню.
Почему это важно
В 1990-х годах нейробиолог Вольфрам Шульц обнаружил, что мозг животного выделяет дофамин, если животное ожидает вознаграждения, а не только при его получении. Это показало, что дофамин может вырабатываться в ответ на ожидание вознаграждения, а не только на само вознаграждение - вышеупомянутая современная версия собаки Павлова. Но в обоих случаях дофамин вырабатывается в ответ на некий внешний сигнал. Хотя в мозге всегда присутствует небольшое количество случайного фонового дофаминового "шума", большинство исследований в области неврологии не рассматривали возможность случайных дофаминовых импульсов, достаточно больших, чтобы вызвать изменения в работе мозга и памяти.
Результаты опровергают идею о том, что дофаминовые сигналы детерминированы - производятся только в ответ на сигнал - и фактически опровергают некоторые фундаментальные теории обучения, в которых в настоящее время нет места для больших, случайных дофаминовых импульсов. Исследователи уже давно считают, что дофамин позволяет животным определять, какие сигналы могут направить их к вознаграждению. Часто для этого используется последовательность сигналов - например, животное может быть привлечено звуком текущей воды, который лишь позже приводит к вознаграждению в виде питья.
Наши наблюдения за спонтанными всплесками дофамина - не теми, которые происходят в ответ на сигнал - не вписываются в эту схему. Мы предполагаем, что большие спонтанные импульсы дофамина могут нарушить эти цепочки событий и ослабить способность животных связывать косвенные сигналы с вознаграждением. Способность активно влиять на эти всплески дофамина может стать для мышей механизмом минимизации этой предполагаемой проблемы в обучении, но это еще предстоит выяснить.
Что еще неизвестно
Ученым еще предстоит связать полученные в настоящее время результаты с участками мозга, в которых, как известно, дофамин подает сигналы. Что касается поведения - такого, как добыча корма или навигация по лабиринту в лаборатории - каково влияние спонтанных импульсов на способность к обучению? Заманчиво задаться вопросом, могут ли спонтанные импульсы действовать как ложное ожидание вознаграждения. Возможно, спонтанные импульсы дают животным надежду на то, что награда "где-то там". Мы планируем проверить, существует ли причинно-следственная связь между спонтанными импульсами дофамина и тем, что мыши отправляются исследовать окружающую среду. Наконец, неизвестно, помогают или мешают эти импульсы умственным способностям. Поскольку дофаминовые рецепторы в коре головного мозга - это те же рецепторы, которые чрезмерно экспрессируются при шизофрении, нам интересно, существует ли связь между спонтанными импульсами и психическим здоровьем.
Многие биологи считают, что есть, такие типы вирусов: бактериофаги или вирусы, заражающие бактерии. Когда ДНК этих вирусов попадает в клетку, она может содержать инструкции, позволяющие клетке выполнять новые трюки.
Могучая сила бактериальных вирусов
Бактериофаги, или сокращенно фаги, держат под контролем популяции бактерий как на суше, так и в море. Ежедневно они убивают до 40% бактерий в океанах, помогая контролировать цветение бактерий и перераспределение органических веществ.
Их способность избирательно убивать бактерии также радует врачей. Природные и сконструированные фаги успешно используются для лечения бактериальных инфекций, которые не поддаются антибиотикам. Этот процесс, известный как фаговая терапия, может помочь в борьбе с устойчивостью к антибиотикам.
Последние исследования указывают на еще одну важную функцию фагов: они могут быть самыми лучшими генетическими мастерами природы, создающими новые гены, которые клетки могут перестраивать для получения новых функций.
Фаги являются самой распространенной формой жизни на планете: в любой момент в мире насчитывается не один миллион - это единица с 31 нулем после нее. Как и все вирусы, фаги имеют высокую скорость репликации и мутации, то есть при каждом размножении они образуют множество вариантов с различными характеристиками.
Большинство фагов имеют жесткую оболочку, называемую капсидом, которая заполнена их генетическим материалом. Во многих случаях оболочка имеет больше места, чем требуется фагу для хранения ДНК, необходимой для его репликации. Это означает, что у фагов есть место для хранения дополнительного генетического багажа: генов, которые на самом деле не нужны для выживания фага и которые он может изменять по своему усмотрению.
Как бактерии перенастроили вирусный переключатель?
Чтобы понять, как это происходит, давайте более подробно рассмотрим жизненный цикл фага.
Фаги бывают двух основных видов: умеренные и вирулентные. Вирулентные фаги, как и многие другие вирусы, действуют по программе "вторжение-репликация-убийство". Они проникают в клетку, захватывают ее компоненты, создают свои копии и вырываются наружу.
Фаги умеренного типа, с другой стороны, играют в долгую игру. Они соединяют свою ДНК с ДНК клетки и могут лежать в спящем состоянии годами, пока что-то не вызовет их активацию. Тогда они возвращаются к вирулентному поведению: реплицируются и вырываются наружу.
Многие умеренные фаги используют повреждение ДНК в качестве пускового механизма. Это своего рода сигнал "Хьюстон, у нас проблема". Если ДНК клетки повреждается, это означает, что ДНК фага-резидента, скорее всего, будет повреждена следующей, поэтому фаг мудро решает перепрыгнуть на другой корабль. Гены, которые направляют фаг на репликацию и вырываются наружу, выключены, если не обнаружено повреждение ДНК.
Бактерии перенастроили механизмы, контролирующие этот жизненный цикл, чтобы создать сложную генетическую систему, которую ученые изучают уже более двух десятилетий.
Бактериальные клетки также заинтересованы в том, чтобы знать, не повреждается ли их ДНК. Если это так, они активируют набор генов, которые пытаются восстановить ДНК. Эта реакция известна как бактериальная реакция SOS, потому что если она не сработает, клетка погибнет. Бактерии организуют SOS-ответ с помощью белка, похожего на переключатель, который реагирует на повреждения ДНК: Он включается, если есть повреждение, и выключается, если его нет.
Возможно, что бактериальные и фаговые переключатели эволюционно родственны. В связи с этим возникает вопрос: Кто изобрел переключатель, бактерии или вирусы?
Предыдущие исследования и работы других исследователей показывают, что фаги сделали это первыми. В нашем недавнем докладе мы обнаружили, что SOS-реакция бактерий Bacteroidetes, группы бактерий, составляющих до половины бактерий, живущих в вашем кишечнике, находится под контролем фагового переключателя, который был перенастроен для реализации собственных сложных генетических программ бактерий. Это позволяет предположить, что бактериальные SOS-переключатели на самом деле являются фаговыми переключателями, которые были перенастроены много веков назад.
Не только бактериальные переключатели оказываются изобретениями фага. Прекрасная детективная работа показала, что бактериальный ген, необходимый для деления клеток, также возник в результате "одомашнивания" гена токсина фага. А многие системы бактериальной атаки, такие как токсины и генетическое оружие, используемое для их введения в клетки, а также камуфляж, который они используют для уклонения от иммунной системы, известны или подозреваются в фаговом происхождении.
Положительные стороны вирусов.
Хорошо, подумаете вы, фаги - это здорово, но вирусы, которые нас заражают - это, конечно, не круто. Тем не менее, появляется все больше доказательств того, что вирусы, заражающие растения и животных, также являются основным источником генетических инноваций в этих организмах. Например, было показано, что одомашненные вирусные гены играют ключевую роль в эволюции плаценты млекопитающих и в поддержании влажности кожи человека.
Последние данные свидетельствуют о том, что даже ядро клетки, в котором находится ДНК, также могло быть вирусным изобретением. Исследователи также предположили, что предки современных вирусов могли быть пионерами в использовании ДНК в качестве первичной молекулы для жизни. Не такой уж маленький подвиг.
Поэтому, хотя вы привыкли считать вирусы квинтэссенцией злодея, они, возможно, являются мощным двигателем генетических инноваций в природе. Люди существуют сегодня, скорее всего, благодаря им.
Этот прорыв в медицине обычно приписывают одному человеку, Фредерику Бантингу, который искал лекарство от диабета. Но создание надежного средства для лечения диабета зависело от исследований двух других ученых, Оскара Минковского и Сёрена Сёренсена, которые ранее проводили исследования на, казалось бы, несвязанные темы.
История инсулина иллюстрирует тот факт, что медицинские инновации строятся на фундаменте науки, а затем требуются квалифицированные инженеры, чтобы вывести лечение из лаборатории и доставить его людям, которые в нем нуждаются.
Эта идея, в некотором роде, заложена в правилах легкой атлетики. В соревнованиях с несколькими забегами - от студенческого уровня до Олимпийских игр - люди, показавшие более высокое время в ранних забегах, назначаются на средние дорожки в последующих забегах. Другими словами, самые быстрые бегуны получают вознаграждение в виде, как предполагается, лучших дорожек.
Моя недолгая беговая карьера давно позади, но в своей профессиональной деятельности я много думаю об использовании статистики для извлечения смысла из данных. В преддверии Олимпийских игр я решил проверить достоверность фольклора о распределении дорожек, оставшегося со времен моей спринтерской карьеры.
Используя данные Международной ассоциации легкоатлетических федераций за 20 лет, я обнаружил, что давние убеждения о преимуществе дорожки не подтверждаются данными. И на самом деле, в спринте на 200 метров данные свидетельствуют о том, что дорожки, которые часто воспринимаются как наименее желательные, на самом деле являются самыми быстрыми.
Первым шагом в создании модели затонувшего корабля было обучение компьютера тому, как выглядит затонувший корабль. Также важно было научить компьютер отличать затонувшие корабли от рельефа морского дна. Для этого понадобилось множество примеров кораблекрушений. Также нужно было научить модель тому, как выглядит естественное дно океана.
Удобно, что Национальное управление океанических и атмосферных исследований ведет общедоступную базу данных о затонувших кораблях. У нее также есть большая общедоступная база данных различных видов изображений, собранных по всему миру, включая сонарные и лидарные снимки морского дна.
Техническая поддержка проекта ВсеТут