Карта 600 000 клеток мозга показывает, как мозг принимает решения

Фото из открытых источников

Первая полная карта активности мозга млекопитающего открыла беспрецедентные возможности понимания того, как принимаются решения, и, возможно, даже намекнула на истоки того загадочного чувства, которое мы называем интуицией.

Проект, в котором приняли участие десятки лабораторий и были использованы данные более 600 000 отдельных клеток мозга мышей, охватывал области, составляющие более 95% мозга. Результаты исследования, опубликованные в двух статьях в журнале Nature, свидетельствуют о том, что принятие решений задействует гораздо большую часть мозга, чем считалось ранее.

Гигантский проект возглавила Международная лаборатория мозга (IBL) — совместный проект экспериментальных и теоретических нейробиологов со всей Европы и США. Этих ученых объединяло знакомое, ноющее чувство.

«У нас были проблемы с тем, как проводилась научная работа», — сказал Маттео Карандини, нейробиолог из Университетского колледжа Лондона и один из основных членов IBL.

В предыдущих исследованиях мозга многие отдельные лаборатории пытались ответить на важные вопросы об этом органе, например, исследуя связь активности мозга с поведением. Однако каждая лаборатория изучала этот вопрос на мозге разных мышей и выполняла несколько разные поведенческие задания с каждой группой грызунов. С учётом неопределённости в том, как каждая исследовательская группа определяла отдельные области мозга, эти противоречия искажали результаты.

Итак, члены IBL объединились, чтобы разработать единый, надежный, стандартизированный эксперимент такого масштаба, с которым ни одна лаборатория не смогла бы справиться в одиночку. Затем они объединили этот мегатест с точными инструментами для измерения активности мозга и предустановленными методами анализа, чтобы сделать результаты максимально воспроизводимыми. Целью эксперимента было преодоление устойчивого препятствия в полевых условиях.

«Одной из самых давних проблем в нейронауке является расшифровка того, как вариации в нейронных системах — как структурные, так и функциональные — влияют на вариации в поведении», — сказал Федерико Туркхаймер, нейробиолог из Королевского колледжа Лондона, не принимавший участия в исследовании.

В конечном итоге этот проект включал 139 мышей, работающих в 12 лабораториях по всему миру. Им были имплантированы устройства для регистрации активности мозга, называемые нейропиксельными зондами. Эти зонды могут одновременно регистрировать до 1000 отдельных нейронов. Исследователи тестировали мышей, выполняя простую поведенческую задачу, которую каждая из дюжины лабораторий могла с уверенностью воспроизвести: исследователи помещали мышей перед экраном, и справа или слева мигал чёрно-белый полосатый маркер. Если мыши вращали небольшое колесо в направлении вспышки, они получали вознаграждение.

Карандини сказал, что, исходя из того, что вы прочитали в учебнике по нейробиологии, можно было бы ожидать, что активность мозга во время эксперимента будет следовать линейной траектории. Сначала активируются клетки зрительной коры, распознающие изображения, а затем нейроны в другой части мозга, например, в префронтальной коре, которая, как известно, участвует в принятии абстрактных решений. Затем эта информация может быть объединена с дополнительной активностью, отражающей предыдущий опыт мыши, другими словами, воспоминания, прежде чем быть переданной в двигательные области мозга, контролирующие мышечные реакции.

Результаты исследователей частично подтвердили эту цепную реакцию: например, первой активировалась зрительная кора. Однако другие результаты противоречили ожиданиям команды.

«Мы обнаружили сигналы принятия решения и сигналы, связанные с предыдущей информацией, в гораздо большем количестве областей мозга, чем мы могли предположить», — сказал Карандини. В совокупности активность практически всех исследованных областей мозга может быть использована для определения того, получила ли мышь вознаграждение.

В некоторых экспериментальных испытаниях исследователи делали маркер на экране невероятно тусклым, так что мышам, по сути, приходилось угадывать, в какую сторону вращать колесо. Вторая статья в Nature была посвящена тому, как мыши использовали предыдущие ожидания — основанные на том, где находился маркер в предыдущих тестах, — чтобы подкрепить свои предположения. Активность мозга, которая вспыхивала, когда мыши угадывали в этих заданиях, также была гораздо более широко распределена по мозгу, чем предполагала команда.

Подход IBL к пониманию работы мозга был разработан на основе аналогичных инициатив, таких как эксперименты в области физики элементарных частиц, проводимые в ЦЕРНе, или работа проекта «Геном человека» по изучению ДНК. Чтобы описать влияние проекта, Карандини обращается к ещё одной области: астрономии.

Он отметил, что первые астрономы могли смотреть на ночное небо и видеть каждую звезду, но в очень скудных деталях. С появлением телескопа появилась возможность исследовать отдельные небесные тела. Предыдущие работы в области нейробиологии, по его словам, были «как если бы кто-то направил телескоп только на одну галактику, а затем разные астрономы направляли свои телескопы на разные галактики и говорили: „Моя галактика делает то!“ или „Нет, моя галактика делает то!“ Новый проект, пояснил он, даёт возможность увидеть все детали ночного неба одновременно и вблизи.

Такая работа стала возможной только благодаря недавним технологическим достижениям и улучшенному межлабораторному сотрудничеству, но Карандини надеется, что теперь её можно будет использовать для решения других важных вопросов о мозге. Результаты данной статьи носят исключительно корреляционный характер, поэтому в настоящее время невозможно сказать, является ли наблюдаемая активность мозга прямым следствием принятия решения или связана лишь с этим процессом.

«Я думаю, что следующим шагом станет добавление причинно-следственной связи в исследование», — сказал он.