Як мозок використовує минулий досвід для прийняття рішень? Кілька років тому дослідники з Національного інституту ментального здоров’я (NIMH) у рамках вивчення так званих «просторових нейронів» встановили, що пробудження спогадів про минулі події в щурів відіграє одну з ключових ролей в процесі навчання та прийняття рішень. Тепер ця сама команда науковців відкрила нові таємниці цієї нервової системи, зокрема унікальну систему, яка закодовує інформацію про місцезнаходження у просторі.
Вчені відкрили нервову мережу, що пов'язує минулі спогади та прийняття рішень у щурів.
«Основне завдання NIMH – відкривати нервові чинники складної поведінки. Такі прориви в розумінні клітинних і нервових процесів, що лежать в основі пам’яті, прийняття рішень та соціального сприймання, безпосередньо ілюструють наші цілі», – каже директор Інституту Брюс Кетберт
Просторові нейрони – це нервові клітини, які активуються в мозку, коли людина чи тварина займає певне місце в просторі (за їх відкриття у 2014 р. Джон О’Кіф та подружжя Едвард і Мей-Бріт Мозери були удостоєні Нобелівської премії з фізіології та медицини). Вони збуджуються щоразу, коли в мозок надходять спогади про знайомі місця. Коли щур рухається крізь лабіринт в спеціальній ділянці в мозковій долі, що відповідає за пам’ять – гіпокампі, – яка називається CA1 (саме вона відповідає за орієнтацію у просторі), виникають специфічні сигнали, які взаємодіють з ділянкою, що відповідає за прийняття рішень, – префронтальною корою. У префронтальній корі, своєю чергою, під час руху активізується специфічна підгрупа нейронів, які збуджуються, коли активізуються спогади про минулі місця. У цей час інша підгрупа нейронів, що менше бере участь в сприйнятті руху і тому потенційно може збити з пантелику, навпаки, гальмується.
«Така напрочуд злагоджена активність в мережі CA1-PFC, очевидно, може оптимізувати здатність мозку консолідувати спогади задля прийняття рішень щодо майбутніх дій», – стверджує головний автор дослідження Шантану Ядгав з Брендейського університету (м. Волтгем, Массачусетс). Ядгав та його колега Ґідеон Ротшильд дослідили цей зв’язок під загальним керівництвом Лорена Франка з Каліфорнійського університету у Сан-Франциско. Результати їхнього дослідження опубліковані 10 березня в часописі Nature.
Ще перед експериментом вченим було відомо, що гіпокамп та префронтальна кора відіграють основну роль у прийнятті рішень на основі попередніх спогадів, однак чіткого розуміння цих нервових механізмів досі не було.
З попередніх досліджень відомо, що просторові нейрони в гіпокампі починають асоціюватись з конкретними місцями, коли щурі вивчають лабіринт. Під час перерв, коли тварини неактивні, вони відтворюють спогади про ці місця у своєму мозку. Просторові клітини, які були активними під час вивчення щурами лабіринта, наново збуджуються в однаковій послідовності, але вже набагато швидше, що на ЕЕГ можна побачити у вигляді коротких, різких хвиль в ділянці гіпокампа, званих гострохвильовим мерехніттям (sharp-wave ripples, SWR).
«У попередніх дослідженнях ми встановили, що гострохвильове мерехтіння в гіпокампі відіграє важливу роль для навчання, однак ми не знали, як воно може активізувати інші ділянки в мозку. Утім ми очікували, що під час викликання спогадів активність в гіпокампі та префронтальній корі має бути скоординована», – стверджує Ядгав.
Досліжуючи активність в групах нейронів одночасно в двох ділянках, коли щурів спонукали виконувати просторові завдання, команда Ядгава та Ротшильда спостерегла скоординовану реактивацію SWR одночасно в гіпокампі та префронтальній корі. У префронтальній корі їх найбільше здивувало те, що ця реактивація включала одночасно збудження та гальмування функціонально різних типів нейронів. Зокрема, SWR вказував на активацію префронтальних нейронів, які брали участь у формуванні просторових репрезентацій, аналогічних з нейронами гіпокампа, а префронтальні нейрони з непов’язаними репрезентаціями у цей час гальмувалися. Отже, мозок гальмує будь-яку потенційну активність, яка є несумісною з інформацією, що надходить з гіпокампа під час активації спогадів – скоріше за все для того, щоб оптимізувати функціонування пам’яті.
«Наші результати засвідчують, що SWR вказує на стійку координацію між гіпокампом та префронтальною корою, що відображає високо структуровану, специфічну реактивацію репрезентацій, пов’язаних з досвідом», – каже Ядгав.
Паралельно з дослідженням Ядгава та Ротшильда команда Лорена Франка з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско зосередила увагу на сусідній до гіпокампа ділянці, що називається CA2. У даному випадку, на своє здивування, вони відкрили цілу групу нейронів, чиє збудженням не відображає сигнал SWR і які вказують на місцезнаходження тварини, коли вона нерухома, зокрема під час сну. Але сигнал від збудження цих нейронів був напрочуд схожий на сигнал SWR у CA1.
З дослідження, отже, випливає те, що, залежно від того, чи тварина рухається чи перебуває на місці, у формуванні спогадів про місцезнаходження беруть участь різні нервові коди. Важливо підкреслити, що CA2 також пов’язують з соціальними спогадами. А соціальний досвід, як підкреслює Франк, часто набувається саме в стані спокою.
Цікаво, що часові інтервали сигналу SWR у префронтальній корі та сигналу в ділянці CA2 були дуже схожими, що вказує на те, що мозок надзвичайно швидко – за лічені долі секунди – переходить від однієї системи кодування до іншої.
«Ілюзії та різні психічні розлади включають помилкове сприйняття внутрішньої інформації за реальні речі в зовнішньому світі. Можливо, однією з їх причин є те, що швидке перемикання між минулим і майбутнім, яке спостерігаємо в нормальних мізках, порушене у випадку психічних захворювань», – каже Лорен Франк.
Circuit for Experience-Informed Decision-Making ID’d in Rats
National Institute of Mental Health, 11/03/2016
Зреферував Євген Ланюк
02.04.2016