Мозг действует как музыкальная шкатулка, проигрывающая разные модели поведения

Нейробиологи обнаружили клетки мозга, которые формируют несколько систем координат, чтобы сообщать нам, «где мы находимся» в последовательности поведений. Эти клетки могут воспроизводить различные последовательности действий, точно так же, как музыкальная шкатулка может быть настроена на воспроизведение различных последовательностей тонов. Результаты помогают нам понять алгоритмы, используемые мозгом для гибкого создания сложных поведений, таких как планирование и рассуждение, и могут быть полезны для понимания того, как такие процессы идут неправильно при психиатрических состояниях, таких как шизофрения.

Исследование, опубликованное в Nature, описывает, как ученые из Sainsbury Wellcome Centre в UCL и Оксфордском университете изучали мышей, обучающихся разным поведенческим последовательностям, но с одинаковой структурой. Это позволило команде раскрыть, как мыши обобщают структуры для новых задач, что является отличительной чертой разумного поведения. 

«Каждый день мы решаем новые проблемы, обобщая наши знания. Возьмем, к примеру, кулинарию. Когда вы сталкиваетесь с новым рецептом, вы можете использовать свои фоновые знания о похожих рецептах, чтобы сделать вывод о необходимых шагах, даже если вы никогда раньше не готовили это блюдо. Мы хотели понять на детальном клеточном уровне, как мозг достигает этого, а также вывести из этой мозговой активности алгоритмы, используемые для решения этой проблемы», — прокомментировал работу соавтор исследования Мохамади Эль Габи из Университетского колледжа Лондона и Оксфордского университета.

Исследователи дали мышам серию из четырех целевых местоположений. Хотя детали последовательностей были разными, общая структура была одинаковой. Мыши перемещались между целевыми местоположениями (ABC и D), которые повторялись в цикле.

«После испытания достаточного количества последовательностей мыши сделали нечто замечательное — они угадывали часть последовательности, которую они никогда раньше не испытывали. Достигнув D в новом месте в первый раз, они знали, что нужно сразу вернуться к A. Это действие не могло быть запомнено, поскольку оно никогда не испытывалось изначально! Вместо этого это доказательство того, что мыши знают общую структуру задачи и могут отслеживать свое «положение» в поведенческих координатах», — объяснил Эль Габи.

Чтобы понять, как мыши усвоили общую структуру задачи, исследователи использовали кремниевые зонды, которые позволили им записать активность нескольких отдельных клеток из области мозга, называемой медиальной фронтальной корой. Они обнаружили, что клетки коллективно отображали «прогресс достижения цели» животного. Например, одна клетка могла активироваться, когда животное достигло 70% пути к своей цели, независимо от того, где находится цель или как далеко ей нужно было до нее добраться.

«Мы обнаружили, что клетки отслеживали поведенческую позицию животного относительно конкретных действий. Если провести аналогию с готовкой, то клетки заботились о прогрессе в достижении подцелей, таких как нарезка овощей. Подмножество клеток также было настроено на отображение прогресса в достижении общей цели, такой как завершение приготовления еды. Таким образом, клетки «прогресса цели» эффективно действуют как гибкие строительные блоки, которые объединяются для построения поведенческой системы координат», — сказал Эль Габи.

По сути, команда обнаружила, что клетки формируют несколько систем координат, каждая из которых сообщает животному, где оно находится относительно определенного действия. Подобно музыкальной шкатулке, которую можно настроить на воспроизведение любой последовательности тонов, мозг может вместо этого «воспроизводить» поведенческие действия.

Команда сейчас работает над тем, чтобы понять, как эти модели активности встроены в связи мозга, как при изучении нового поведения, так и как они начинают появляться в развивающемся мозге. Кроме того, ранние работы группы и их коллег предполагают, что похожая мозговая активность присутствует в эквивалентных контурах у здоровых людей. Это побудило команду работать с психиатрами, чтобы понять, как эти процессы затрагиваются при таких состояниях, как шизофрения, которая, как известно, задействует те же самые контуры мозга. Это может помочь объяснить, почему люди с шизофренией переоценивают свой прогресс в достижении целей, что приводит к заблуждениям.