Ученые обнаружили нейронную цепь в мозге, отвечающую за реакцию «сдаться»

Фото из открытых источников

Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature, непосредственно перед тем, как мышь отказывается от возможности получить награду, одна конкретная группа клеток мозга демонстрирует повышенную активность. Этот сигнал исходит из голубого ядра (locus coeruleus), крошечной структуры мозга, которая долгое время считалась отвечающей за насыщение всего мозга одним химическим веществом, повышающим бдительность, всякий раз, когда происходит что-то срочное. Новое исследование предполагает, что эта картина была слишком упрощенной. Разные нейроны внутри этой структуры, по-видимому, выполняют разные функции в зависимости от их расположения, и одна из этих функций очень похожа на отказ от борьбы.

Исследователи из Института Аллена картировали почти 35 000 этих клеток, продуцирующих норадреналин, и полностью реконструировали разветвленные волокна 132 отдельных нейронов, включая одно волокно, которое в развернутом состоянии растягивалось более чем на 70 сантиметров, вероятно, самый длинный нейрон мыши, когда-либо зарегистрированный, и намного длиннее собственного тела мыши. Нейроны в верхней части структуры соединяются с областями мозга, отвечающими за мышление и принятие решений, в то время как нейроны в нижней части соединяются со спинным мозгом. Несмотря на свою длину, волокна редко разветвлялись, поэтому каждый нейрон, как правило, предпочитает определенный набор целевых областей, а не равномерно распределяет сигналы по нервной системе, и активность генов постепенно смещалась вдоль той же карты сверху вниз, а не разделялась на отдельные группы.

Эта схема подтвердилась в поведении. Нейроны в нижней части демонстрировали более высокую фоновую активность за несколько секунд до того, как мыши полностью игнорировали возможность ответить — именно тот признак, с которого началась эта история. Нейроны в верхней части делали нечто почти противоположное: они активизировались, когда мыши меняли свой выбор вместо того, чтобы повторять его, отслеживая сигналы, связанные с обучением на основе вознаграждения. Оказывается, одна и та же химическая система может либо помочь животному научиться на ошибке, либо послать ранний сигнал, очень похожий на отказ от борьбы, в зависимости от того, какие нейроны активируются.

Чтобы выяснить, как устроена эта система, исследователи использовали мышей, выведенных таким образом, чтобы их клетки, вырабатывающие норадреналин, можно было пометить, затем химически очистили целые мозги до прозрачного состояния и просканировали их микроскопом, предназначенным для детального изучения тканей. В ходе отдельного исследования были полностью прослежены отдельные разветвленные волокна, называемые аксонами, у четырех мышей, отслеживая каждое из них от тела клетки до конечной точки — именно этот процесс позволил обнаружить волокно, установившее рекорд.

Выявилась четкая географическая картина. Нейроны в верхней части мозга посылали волокна к передней части мозга, включая области, связанные с обонянием, высшими мыслительными процессами и памятью. Нейроны, расположенные ниже, посылали волокна к задней части мозга и в спинной мозг. Исследователи подтвердили эту закономерность, введя генетический трассер в шесть областей мозга у десятков мышей, что позволило получить данные о структуре волокон, очень близкие к исходным.

Активность генов подтвердила анатомические особенности. Исследование почти 400 000 клеток от 40 мышей, из которых около 4700 были подтвержденными норадреналиновыми нейронами, показало, что наилучшее объяснение популяции дает единый непрерывный кластер. Экспрессия генов не разделялась на отдельные группы; она плавно переходила от одного конца структуры к другому, отражая уже выявленную схему связей.

Поведенческие исследования окончательно подтвердили это. Мышей обучали лизать левую или правую сторону, чтобы получить шанс на вознаграждение в виде воды, при этом вероятность этого непредсказуемо менялась на протяжении сотен попыток в день, что требовало постоянной корректировки. Пока мыши выполняли задание, исследователи регистрировали электрическую активность отдельных норадреналиновых нейронов, и снова наблюдалось то же самое разделение сверху вниз: нейроны в верхней части спектра проявляли наибольшую активность в моменты обучения, в то время как нейроны в нижней части передавали сигналы, которые могут отражать попытку мыши отвлечься еще до того, как это произошло. Более детальное изучение нейронов, напрямую связанных с областями мозга, отвечающими за принятие решений, подтвердило ту же закономерность.

Всё это не переписывает основную функцию норадреналина; возбуждение, реакции на стресс и внимание по-прежнему являются частью его работы. Меняется лишь старое предположение о том, что однородная доза этого химического вещества объясняет всё сразу. Авторы исследования отмечают, что другие структуры мозга, включая кору и части системы памяти, демонстрируют аналогичные плавные генетические градиенты, совпадающие с различными нейронными связями и функциями, что указывает на более широкий организующий принцип, а не на нечто уникальное для этой структуры.

Также наблюдается резкий контраст с дофамином, другим важным химическим мессенджером мозга, связанным с обучением. Дофамин известен тем, что передает сигналы о том, насколько неожиданной оказалась награда, — сигнал, который, как считается, стимулирует обучение, — но он посылает мало волокон в области мозга, отвечающие за мышление. Расположенные выше по иерархии норадреналиновые нейроны делают обратное, посылая множество сигналов в те же области, передавая при этом тот же самый сигнал обучения. Авторы предполагают, что эти две системы могут работать как партнеры, позволяя мозгу учиться одновременно в нескольких временных масштабах.

Оказывается, крошечное скопление нейронов, снабжающее почти всю нервную систему одним и тем же химическим веществом, имеет свою собственную внутреннюю географию, и то, научится ли животное на ошибке или молча откажется от вознаграждения, может зависеть от того, какой уголок этой карты активируется.