Приветствия без рукопожатий, обязательные маски в поездах, чихание на локтевых сгибателей – пандемия COVID-19 наглядно демонстрирует, насколько важно для людей избавиться от привычного поведения и научиться новому. Животные тоже должны быть способны быстро приспосабливаться к изменениям условий окружающей среды.
"В основе этой способности лежит пластичность мозга," говорит Фритьоф Хельмхен, содиректор Института исследований мозга при Цюрихском университете, который также возглавляет Цюрихский центр нейробиологии. "Но биологические процессы, которые делают возможным этот удивительный подвиг, все еще плохо изучены." Команда Хельмхена теперь успешно сделала первый шаг к освещению этих процессов. Их исследование, только что опубликованное в научном журнале Nature, демонстрирует, что орбитофронтальная кора, область коры головного мозга, которая находится за глазами, способна перепрограммировать нейроны, расположенные в сенсорных областях.
Наблюдение за клетками мозга в процессе переобучения
В своих экспериментах с мышами исследователи смоделировали процесс повторного обучения в контролируемых условиях и исследовали, что происходит в мозге на уровне отдельных нейронов во время этого процесса. Сначала исследователи научили животных лизать каждый раз, когда они касались усами полоски крупнозернистой наждачной бумаги, и награждали за реакцию глотком сахарозной воды. Однако мышам не разрешалось лизать, когда они чистили усы о мелкозернистую наждачную бумагу; если они это делали, их наказывали легким раздражающим звуком. Как только мыши поняли, как выполнять свою задачу, все изменилось. Награда теперь доставлялась после взбивания с мелкозернистой, а не крупнозернистой наждачной бумагой. Мыши быстро усвоили этот новый, противоположный паттерн поведения после небольшой практики.
Высшая власть переназначает ячейки
Во время обучения нейробиологи использовали методы молекулярной биологии и визуализации для анализа функции отдельных нейронов коры головного мозга. Их анализ показал, что группа клеток головного мозга в орбитофронтальной коре особенно активна во время процесса повторного обучения. Эти клетки имеют длинные аксоны, которые простираются в сенсорную область мышей, обрабатывающую тактильные стимулы. Клетки в этой области первоначально следовали старому образцу активности, но затем некоторые из них адаптировались к новой ситуации. Когда определенные нейроны в орбитофронтальной коре были намеренно инактивированы, повторное обучение нарушалось, и нейроны в сенсорной области больше не проявляли изменений в своей активности.
"Таким образом, мы смогли продемонстрировать, что существует прямая связь орбитофронтальной коры с сенсорными областями мозга и что некоторые нейроны там переназначаются," объясняет Хельмхен. "Пластичность этих клеток и инструкции, которые они получают от орбитофронтальной коры более высокого порядка, по-видимому, имеют решающее значение для гибкости поведения и нашей способности адаптироваться к новым ситуациям."
"Давно известно, что орбитофронтальная кора головного мозга участвует в процессах принятия решений." Он отвечает, в определенной степени, за то, чтобы позволить нам адекватно и успешно реагировать на внешние обстоятельства. "Но нейронные цепи, лежащие в основе этой функции, до сих пор были неизвестны," говорит Абхишек Банерджи, ведущий автор исследования, ныне адъюнкт-профессор Университета Ньюкасла, Великобритания. "Этот способ общения и контроля над удаленными областями мозга поистине замечателен."
Лучшее понимание расстройств
Исследователи считают, что фундаментальные процессы, которые они наблюдали у мышей, аналогичным образом происходят и в человеческом мозге. "Эти углубленные знания о сложных процессах мозга, участвующих в принятии решений, очень важны," объясняет Хельмхен. "Результаты наших исследований могут способствовать лучшему пониманию расстройств мозга, при которых нарушается гибкость в принятии решений, как, например, при различных формах аутизма и шизофрении." Очевидно, говорит он, наличие трудностей или неспособность адаптироваться к своему поведению представляет собой серьезную проблему для пострадавших людей.