Колумбийские нейробиологи выяснили, что простая область мозга, известная своей обработкой базовой сенсорной информации, также может управлять сложными умственными процессами. Новое исследование с участием мышей продемонстрировало, что клетки соматосенсорной коры, области мозга, ответственной за прикосновения, также играют ключевую роль в обучении вознаграждении, сложном типе обучения, который позволяет мозгу связывать действие с приятным результатом. Это основа того, как мы связываем нашу работу в офисе с этой зарплатой или этот результат на отметку A + с учебой, которую мы прошли при подготовке к тесту.
Новое исследование, опубликованное сегодня в Cell Reports, свидетельствует о том, что обучение и память не относятся к нескольким избранным областям, а вместо этого могут проникать в мозг.
"Наш мозг мастерски устанавливает связи или ассоциации между, казалось бы, несопоставимыми частями информации, но где хранятся эти ассоциации, остается нерешенным вопросом," сказал Рэнди Бруно, доктор философии.D., главный следователь в Columbia’s Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute и старший автор статьи. "Благодаря сегодняшнему исследованию мы не только стали свидетелями формирования этих ассоциаций в реальном времени на уровне отдельных клеток мозга, но также показали, что этот тип обучения происходит в той области мозга, которая, как считалось, не способна выполнять так."
Большинство клеток состоит из тела клетки, но нейроны имеют более сложную форму; у них есть ветви, торчащие наружу из их тела. Эти древовидные ветви, называемые дендритами, могут вытягиваться из одной клетки тысячами, связывая и отправляя электрические импульсы дендритам от соседних нейронов.
Организация и расположение дендритов особенно интересно в соматосенсорной коре головного мозга. Как многоярусный торт, он состоит из шести отличительных слоев. Каждый слой выглядит немного иначе.
"Нейроны в соматосенсорной коре расположены глубоко в пятом или шестом слоях, но их дендриты доходят до самого верхнего слоя," сказал доктор. Бруно, который также является адъюнкт-профессором нейробиологии Колумбийского колледжа врачей и хирургов Вагелос. "Результатом является сложная сеть дендритов, заполняющих верхний слой соматосенсорной коры, как полог густого леса."
Наблюдая за активностью этих дендритов, исследователи научили мышей выполнять простую сенсорную задачу. Мыши усами ощутили небольшой столб в затемненной комнате. Найдя шест, животные переместили рычаг, который выпускал воду в качестве награды.
"Поскольку эта задача включала в себя осязание животных, мы ожидали, что дендриты в соматосенсорной коре срабатывают, когда усы касаются полюса, что они и сделали," сказал доктор. Бруно. "Но во второй части задания, когда животное получило водную награду, те же дендриты сработали во второй раз, чего мы не ожидали."
Вместо этого, согласно общепринятому мнению, сенсорная кора просто передает основную информацию о внешнем раздражителе, например, об усах, соприкасающихся с полюсом. Эта информация отправляется в ассоциативную кору, которая собирает и систематизирует информацию для дальнейшей обработки во фронтальной коре, одной из наиболее сложных областей мозга.
"Наши результаты показывают, что мозг начинает усваивать сложные ассоциации раньше, чем считалось ранее," сказал доктор. Бруно.
Действительно, когда исследователи удалили шест, у животных, которые были обучены этой задаче, был приготовлен еще один сюрприз. Соматосенсорные дендриты животных все еще активировались, когда им давали воду. Напротив, вода не влияла на нервную активность у животных, которые так и не научились этому заданию, показывая, что ассоциация была приобретенной.
Что касается того, почему мозг, возможно, эволюционировал, чтобы использовать для обучения, казалось бы, простые клетки мозга, доктор. Бруно предполагает, что это может быть способом для мозга получить фору.
"Простые ассоциации можно усвоить быстрее и лучше, если основные сенсорные области берут на себя часть работы с самого начала," сказал доктор. Бруно. "Например, узнав, что знаки СТОП красные и отчетливые по форме, вы сможете начать торможение задолго до того, как на самом деле прочитаете слова СТОП – способность, которая имеет явные преимущества для выживания."
Забегая вперед, один из ключевых вопросов, на которые нет ответа, заключается в том, стоит ли химическое высвобождение в соматосенсорной коре за ощущением хорошего самочувствия, которое стимулирует обучение за вознаграждение.
"Химический дофамин является основным двигателем поощрения обучения в других областях мозга, но дофамин в значительной степени отсутствует в соматосенсорной коре головного мозга," сказал доктор. Бруно. "В игре должен быть другой сопоставимый нейромодулятор, и мы активно его исследуем."