Как мозг решает, что ему изучать

25 октября 2018



Нейробиологи знают многое о том, как наш мозг изучает новые для него вещи, но им почти ничего не известно о процессе выбора мозгом предмета изучения. И недавно ученые исследовав эту функцию мозга пришли к совершенно неожиданным выводам. Чтобы узнать больше о мире, животному нужно намного больше, чем просто внимательно посмотреть на то, что его окружает. Ему необходимо узнать, какие виды, звуки и ощущения в окружающей среде являются наиболее важными, кроме того необходимо уметь мониторировать важные изменения основных этих деталей во времени. До сих пор то, как именно люди и животные отслеживают эти детали, вернее, их динамику, было тайной для науки. 26 октября 2018 года в «Science» появилась статья, в которой биологи Стэндфордского университета сообщают о результатах своей новой работы, в которой они попытались выяснить как именно животные проводят сортировку этих деталей, определяют степень их важности. Часть мозга, именуемая паравентрикулярным ядром гипоталамуса (лат. Nucleus paraventricularis hypothalami, англ. Paraventricular nucleus of hypothalamus, PVN), служит своего рода привратником, следящим за тем, чтобы мозг идентифицировал и отслеживал только наиболее весомые детали той или иной ситуации. Хотя исследование, частично финансируемое Wu Tsai Neuroscience Institut, проводилось пока только на мышах, его результаты в один прекрасный день помогут исследователям понять, как процесс познания происходит у людей, а, возможно, и создавать лекарственные препараты, способные его контролировать, сказал старший автор работы профессор биологии Ксяокэ Чен. Результаты оказались по-настоящему удивительными, сказал Чен, отчасти это было потому, что очень многие сильно сомневались в том, что функции таламуса могут быть настолько сложными. «Мы показали, что таламические клетки играют очень важную роль в отслеживании поведенческой значимости стимулов, чего никто раньше еще не делал», — сказал Чен.

Профессор Ксяокэ Чен (справа) обсуждает функции паравентрикулярного ядра гипоталамуса с исследователем Грегом Нахраббом, одним из соавторов работы.

В подавляющем большинстве случаев обучение сводится к обратной связи. Например, если у вас есть головная боль и вы принимаете лекарство от нее, вы ожидаете, что таблетка заставит вашу головную боль уйти. Если это окажется правдой, то и в следующий раз, когда вы будете страдать от головной боли, вы примете тот же препарат. Если же ваши ожидания не будут оправданы, вы наверняка попробуете что-то еще. Психологи и нейробиологи изучили этот аспект обучения достаточно полно и даже выявили специфичные части мозга, которые ответственны за процесс обратной связи применительно к функции обучения. Тем не менее эта картина обучения неполна, сказал Чен. Даже в относительно простых лабораторных экспериментах, не говоря уже о жизни в реальном мире, людях и других животным чрезвычайно важно решить на что нужно обращать внимание, другими словами, понимать, где обратная связь, а где фоновый ничего не значащий шум. Это давний предмет обсуждений для психологов и нейробиологов, который до сих пор не был достаточно изучен. Задавшись целью исправить это положение вещей, Чен и его коллеги решили провести эксперимент на мышах, в котором у животных должны были возникнуть ассоциации между тем или иным запахом и каким-то событием, приятным или отталкивающим. Один запах сигнализировал, что мышку ждет глоток воды, в то время как другой оповещал о том, что мышке подует в мордочку поток воздуха. Позже исследователи совместили воздействие потоком воздуха со слабым электрическим шоком, с тем, что, как ожидали ученые, потребует большего внимания подопытных животных. Команда нейробиологов обнаружила, что нейроны в паравентрикулярном ядре гипоталамуса (PVT) отслеживают эти изменения. Во время фазы воздействия воздухом две трети нейронов PVT реагировали одинаково сильно на оба запаха, кроме того, 30 процентов клеток дополнительно активировались запахом, ассоциированным с водой. Другими словами, на этом этапе PVT-ответ был выраженным на оба раздражителя, и на позитивный, и на негативный, с небольшим перевесом в сторону позитивного воздействия. Однако во время фазы электрического шока баланс сдвигался. Почти все PVT-нейроны реагировали на шок, в то время как примерно три четверти их отвечали на позитивное и негативное воздействие. Подобный сдвиг происходил в случае, если у мышей было достаточно воды. В случае, когда вода имела недостаточно важное значение для мышей, PVT менее чувствителен к воде и более чувствителен к воздушным ударам, что означает, что PVT более восприимчив к плохим результатам, чем к хорошим. В совокупности полученные результаты показали, что PVT отслеживает то, что было самым важным на данный момент — хороший результат, когда это перевешивало плохое, и наоборот.

Результаты исследования привели нас сразу к нескольким разным выводам, сказал Чен, но, возможно, самым важным в проделанной работе станет то, что другие исследователи обратят внимание на PVT и захотят узнать подробнее, как именно мозг выделяет самое важное, как классифицирует детали происходящего, как выбирает что нужно изучить. Чен также отметил, что у нейробиологов благодаря этому исследованию может появиться новый способ контролировать обучение. В дополнение уже проведенным экспериментам можно провести опыты с генетически модифицированными мышами, которых выращивали бы, используя инкубаторы лабораторные, и у которых можно было бы контролировать паравентрикулярные ядра гипоталамуса посредством света. Это поможет получить больше информации, так как в этом случае исследователи смогут подавить или усилить процесс обучения. Например, быстро обучить мышей, например, они могли бы быстрее научить мышей пониманию, что этот данный запах уже не обозначает, что ожидается подача воды или что другой запах переключил сигнал воды на сигнал электрического шока. Эти результаты могут быть полезны для модуляции обучения у мышей путем стимулирования или подавления активности PVT по мере необходимости. А в долгосрочной перспективе эти наработки могут использоваться для оказания помощи наркоманам, говорит Чен.