Звуки начинают влиять на развитие мозга раньше, чем считалось

Будущие мамы часто задаются вопросом о том, полезно ли слушать музыку во время беременности, и ученым еще только предстоит дать ответ на этот вопрос.

В ходе недавнего эксперимента с новорожденными ученые из университета Джона Хопкинса выяснили, что разные звуки, видимо, меняют взаимосвязи нейронов в областях мозга, которые обрабатывают звук, раньше, чем считалось ранее, и еще до того, как откроется слуховой канал.

Сейчас в экспериментах участвуют новорожденные мыши, у которых слуховые каналы открываются спустя 11 дней после рождения. У человеческих зародышей слуховой канал открывается внутриутробно, примерно через 20 недель после зачатия.

Результаты, опубликованные в издании Science Advances, в итоге могут помочь ученым найти методы обнаружения и вмешательства в аномальные взаимосвязи в мозге, которые могут вызвать проблемы со слухом или другие органолептические проблемы.

— Мы постоянно ищем ответы на вопросы о том, кто мы такие, заявил профессор биомедицинской инженерии доктор Патрик Кэнолд из медицинской школы университета. — В частности, я анализирую, как формируется наша органолептическая система, и на каком этапе развития плода это происходит.

Кэнолд до исследования схемотехники мозга работал в электротехнической области с микропроцессорами.

В фокусе его исследований находится внешняя часть мозга — кора, которая отвечает за многие функции, в том числе за сенсорное восприятие. Под корой расположено белое мозговое вещество, где нейроны связываются между собой.

В ходе развития в белом веществе также образуются нейроны-субпластинки, которые развиваются в мозге одними из первых — примерно на 12 неделе беременности у человека и на второй эмбриональной неделе у мышей.

Анатом Марк Молливер из университета Джона Хопкинса описал некоторые первичные связи между нейронами и придумал сам термин — нейроны-субпластинки — еще в 1973 году.

Эти первичные нейроны в процессе развития млекопитающих отмирают. У людей это происходит незадолго до рождения и течение первых нескольких месяцев жизни. Однако перед тем, как отмереть, нейроны-субпластинки устанавливают связи между ключевыми шлюзами в мозге для всей сенсорной информации, таламусом и средними слоями коры головного мозга.

— Таламус — это посредник между нами и информацией, поступающей из глаз, ушей и кожи в кору головного мозга, заявил Кэнолд. — Когда в таламусе или в его связях с корой что-то  ломается, возникают проблемы с развитием нейронов.

У взрослых людей нейроны в таламусе растягиваются и проецируют длинные структуры — аксоны — в средние слои коры. А когда мозг только развивается, то между таламусом и корой находятся нейроны-субпластинки, действуя как мост.

На концах аксонов есть связующие звенья между нейронами, которые называются синапсами. На примере хорьков и мышей Кэнолд разметил расположение нейронов-субпластинок в мозге. Ранее он также выяснил, что нейроны-субпластины могут принимать звуковые сигналы раньше, чем это делают все остальные нейроны коры головного мозга.

Текущие исследования затрагивают два вопроса:

1. Что происходит, когда звуковые сигналы достигают нейронов-субпластин?
2. Способно ли изменение поступающих звуковых сигналов преобразовать мозговые связи на ранней (преимущественно пренатальной) стадии развития организма?

В исследовании ученые задействовали генно-модифицированных мышей с дефицитом белка на волосковых клетках внутреннего уха. Белок нужен для преобразования звука в электрический импульс, который поступает в мозг, где преобразуется в то, что мы слышим. Без этого белка мозг просто не получает сигнал.

У глухих недельных мышей ученые обнаружили примерно на 25-30% больше связей между нейронами-субпластинами и другими нейронами головного мозга, чем у недельных мышей с нормальным слухом.

Это говорит о том, что звуки могут менять мозговые связи, отметил Кэнолд.

Более того, эти изменения в нейронных связях происходят примерно на неделю раньше обычного. До тех пор ученые полагали, что сенсорный опыт может изменить связи в коре головного мозга только после того, как нейроны таламуса вытянут аксоны и активизируют средние слои коры, то есть в то время, когда у мышей уже открыты слуховые каналы (11 дней отроду).

— Когда нейроны лишены входящего потока, например, звукового, то они протягивают аксоны, чтобы найти другие нейроны и компенсировать отсутствие звука, сообщил Кэнолд. — Это происходит на неделю раньше, чем мы думали, и говорит о том, что отсутствие звуков, вероятно, реорганизует связи в незрелой коре головного мозга.

Ученые предположили, что не только отсутствие звука, но и, напротив, дополнительный звук может оказывать влияние на развитие нейронных связей.

Для этого двухдневных мышат поместили в две среды — со звуками и без. Выяснилось, что у мышат, которые развивались без звуков, более прочные связи между нейронами-субпластинами и кортикальными нейронами, чем у мышей из среды с дополнительными звуками.

Когда тех и других мышат сравнили с теми, что развивались в обычной среде, выяснилось, что разница в мозговых связях между беззвучными и нормальными мышами выше, чем между нормой и избыточным звуком.

— Мы убеждены, что влияние звука на раннем этапе может быть важным для развития нейронов в мозге, заключил Кэнолд.

Исследователи планируют провести дополнительные изыскания, чтобы определить, как раннее воздействие звука влияет на мозг на более поздних стадиях развития.

Ученые надеются понять, насколько важным для будущего человека может быть воздействие звука на плод в утробе матери, и как учитывать эти изменения при установке кохлеарных имплантов детям с врожденной глухотой.

Также ученые планируют изучить мозговые особенности недоношенных младенцев и разработать биомаркеры для решения проблем, связанных с некорректным образованием связей между нейронами-субпластинами.

14.02.2021