Ученые говорят, что в экспериментах на крысах, оснащенных крошечными очками, они узнали, что начальный центр обработки зрения мозга не только передает зрительные стимулы, но и может "учиться" временные интервалы и создавать специально рассчитанные ожидания будущих вознаграждений. По словам исследователей, исследование, проведенное группой из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса и Массачусетского технологического института, проливает новый свет на обучение и формирование памяти и может помочь объяснить, почему люди с болезнью Альцгеймера плохо запоминают недавние события.
Результаты исследования, опубликованные онлайн в журнале Neuron Jan. 23, предполагают, что связи в сетях нервных клеток в центре обработки зрения могут быть усилены нейрохимическим ацетилхолином (ACh), который, как считается, мозг выделяет после получения вознаграждения. Только сети нервных клеток, недавно стимулированные вспышкой света, доставляемой через очки, подвергаются воздействию ACh, что, в свою очередь, позволяет этим нервным сетям связывать визуальный сигнал с наградой. Поскольку структуры мозга у млекопитающих очень консервативны, результаты, вероятно, имеют параллели у людей, говорят они.
"Мы обнаружили, что нервные клетки в этой части мозга, первичной зрительной коре, похоже, способны развивать молекулярную память, помогая нам понять, как животные учатся предсказывать положительные результаты," говорит Маршалл Хуссейн Шулер, доктор философии.D., доцент кафедры нейробиологии Института фундаментальных биомедицинских наук Медицинской школы Университета Джона Хопкинса.
Чтобы максимизировать выживаемость, мозг животного должен запоминать, какие сигналы предшествуют положительному или отрицательному событию, что позволяет животному изменять свое поведение, чтобы увеличить вознаграждение и уменьшить количество неудач. В исследовании Hopkins-MIT исследователи пытались понять, как мозг связывает визуальную информацию с более сложной информацией о времени и вознаграждении.
По словам Хуссейна Шулера, основная теория предполагала, что эта связь была установлена в областях, посвященных "высокий уровень" обработка, такая как лобная кора, которая, как известно, важна для обучения и памяти. Первичная зрительная кора, казалось, просто получает информацию от глаз и "переделывать" визуальный мир перед тем, как представить его участкам мозга, принимающим решения.
Чтобы контролировать процесс связи видения и вознаграждения, команда надели на крыс специальные очки, которые позволяли исследователям мигать светом перед левым или правым глазом. Измученным жаждой крысам в очках был предоставлен доступ к водостоку внутри испытательной камеры. Когда они подошли к источнику воды, один глаз получил краткую визуальную подсказку.
Если бы свет был направлен в левый глаз, струю воды пришлось бы лизать несколько раз, прежде чем вода попала бы к крысе; если бы свет был направлен в правый глаз, крысе пришлось бы лизать еще много раз, прежде чем пойдет вода. После нескольких ежедневных сеансов таких "кондиционирование" (в отличие от знаменитых экспериментов Павлова с собачьим звонком и наградой), крысы узнали, сколько времени им придется лизать, прежде чем они получат водное вознаграждение. Если они не получат награду в ожидаемый период времени, они сдадутся и оставят носик.
Наблюдая за схемой электрических сигналов, испускаемых отдельными нервными клетками в мозгу крысы, исследователи обнаружили, что сигналы "шипы" не просто отражали только визуальный сигнал. Скорее, сигналы, казалось, передают время ожидаемой доставки вознаграждения через измененные шаблоны пиков. Они также увидели, что многие нервные клетки, по-видимому, сообщают об одном или другом интервале визуального вознаграждения, но не об обоих. В клетках, стимулированных вспышкой, направленной к левому глазу, электрический сигнал вернулся к своему исходному значению после короткой задержки, синхронно с временем получения награды водой; сигнал к правому глазу коррелирует с более длительной задержкой, также синхронно с наградой. По словам исследователей, количество времени, которое прошло до того, как нервные клетки вернулись в состояние покоя, было способом мозга настроить "рассчитанное на время ожидание."
Зная, что базальный передний мозг участвует в обучении, исследователи хотели знать, можно ли объяснить их наблюдения нервами из базального переднего мозга, доставляющими ACh в центр обработки зрения. Чтобы удалить эти нервные клетки из уравнения, они соединили нейротоксин с "самонаводящееся устройство" который нацелен только на нейроны, высвобождающие АХ, исходящие из базального переднего мозга. Затем они повторили свои эксперименты на обученных крысах, которые получали нейротоксин, и на тех, которые не получали нейротоксин, и обнаружили, что сигналы нервных клеток продолжали передавать старые временные интервалы, предполагая, что ACh и базальный передний мозг не были необходимы для выражения ранее усвоенных информация о времени.
Затем исследователи использовали тех же крыс, чтобы спросить, необходим ли ACh нервным клеткам для изучения новых временных задержек. Для этого они переключили визуальные подсказки так, что вспышка в левом глазу означала долгую задержку, а вспышка в правом глазу означала короткую. Нервные клетки, обрабатывающие зрение, у крыс, у которых доставка ACh оставалась нетронутой, адаптировали свои сигналы к новым ассоциациям; но те крысы, которые больше не получали ACh, продолжали передавать старые ассоциации, предполагая, что ACh необходим для создания новых ассоциаций, но не для выражения старых.
Хуссейн Шулер объясняет, "Когда вознаграждение получено, ACh отправляется по всему мозгу и укрепляет только те связи нервных клеток, которые были недавно активны. Процесс кондиционирования продолжает укреплять эти нервные связи, вызывая в мозгу своевременное ожидание вознаграждения."
По словам Хуссейна Шулера, исследования показали, что у пациентов с болезнью Альцгеймера низкий уровень АХ и возникают проблемы с формированием новых воспоминаний. Хотя лекарства могут повышать уровень АХ, облегчение симптомов ограничено. "Наше исследование объясняет это ограничение," он говорит. "С терапевтической точки зрения мы прогнозируем, что проблема заключается не только в низких уровнях ACh – время доставки ACh является ключевым моментом."