Работая с мышами, считающими точки, бегущими по лабиринту виртуальной реальности, ученые из Гарвардской медицинской школы обнаружили, что для навигации в пространстве мозг грызунов полагается на каскад нейронных сигналов, кульминацией которых является единственное решение, побуждающее животное предпочитает одно направление другому.
Результаты, опубликованные 3 октября в журнале Nature Neuroscience, рисуют картину сбора, обработки и принятия решений в пространстве более сложной, чем считалось раньше.
Исследование HMS ставит под сомнение традиционную модель десятилетней давности, которая предполагает, что принятие простого пространственного решения является результатом прямой конкуренции между двумя или более различными нервными путями, при этом один сигнал преобладает над другими.
«Этот подход «победитель получает все» элегантен, но, возможно, несколько упрощен», - сказал автор исследования Крис Харви, доцент нейробиологии Гарвардской медицинской школы. «Наши результаты показывают, что группы нейронов отслеживают все недавно встреченные визуальные сигналы и используют эту информацию для принятия решений. Нет необходимости в реальной конкуренции между двумя или более путями, по крайней мере, не в тех областях мозга, которые, как считается, участвует в принятии решений."
В этом смысле, добавили исследователи, принятие решений мышами напоминает человеческий акт накопления и взвешивания всех доказательств перед тем, как сделать выбор.
Исследователи говорят, что их результаты являются ранним шагом на пути к распутыванию механизмов формирования человеческой памяти - фундаментального неврологического процесса, который до сих пор плохо изучен. Выяснение того, что происходит в нервных клетках во время формирования памяти, может помочь выявить критические сбои, возникающие в кратковременной памяти и приводящие к нарушению принятия решений при ряде нейропсихиатрических и нейродегенеративных расстройств.
«Как только мы раскроем различные рабочие паттерны и схемы в мозге во время формирования памяти и принятия решений, мы сможем начать искать различия в паттернах связи, которые лежат в основе аномалий», - сказал Харви. «Это может дать нам представление о том, как эти процессы могут быть нарушены при нейродегенеративных состояниях и нейропсихиатрических расстройствах».
Для экспериментов мышей обучали считать до шести точек по обе стороны виртуального Т-образного лабиринта, проецируемого на экран перед ними. Мыши должны были выбрать направление, в котором отображалось большее количество точек, и повернуть в этом направлении.
Задача - чрезвычайно сложная по меркам грызунов - сродни тому, как люди используют уличные знаки и ориентиры для маневрирования в пространстве, чтобы добраться до пункта назначения. Чтобы подготовиться к испытанию в имитации лабиринта, мышей обучали в течение месяца или около того: они научились считать до шести точек и делать выбор, идти влево или вправо в зависимости от количества точек, проецируемых на экран. Когда животное делало правильный поворот, его вознаграждали несколькими глотками подслащенной воды.
В своих экспериментах ученые сосредоточились на нейронах задней теменной коры - части мозга, где сходятся зрительные сенсорные сигналы и двигательные действия. Чтобы визуализировать активность нейронов в режиме реального времени, исследователи вводили мышам вирус, который заставлял клетки их мозга светиться или флуоресцировать всякий раз, когда что-то, что видела мышь, вызывало электрический импульс. Подход позволил ученым начертить «электрическую сетку», показывающую ежеминутные изменения в тысячах нейронов, когда животные сталкивались с сигналами, извлекали кратковременные воспоминания и принимали решение..
Электрические паттерны показали, что для того, чтобы сделать правильный выбор, мышь должна была полагаться на кратковременную память - вспоминать, сколько точек она видела на одной стороне за несколько секунд до этого, - а затем преобразовывать эту память в двигательную активность. действие или действие поворота влево или вправо. Удивительно, но перед тем, как мышь сделала поворот, несколько нервных сигналов сходились одновременно, что позволяет предположить, что животные взвесили все доступные сигналы, прежде чем принять решение.
Результаты также показали, что клетки мозга не останавливались и не перезагружались каждый раз, когда принималось решение. Вместо этого нейроны вели «бегущую ленту» событий, которые произошли в прошлом, - постоянно расширяющийся каталог по мере приобретения нового опыта.
Выводы показывают, что даже самый простой выбор, такой как поворот налево или направо, является результатом множественных нейронных сигналов, запускаемых недавно встреченными сигналами, которые затем распространяются сложным, но хорошо организованным образом и сходятся в единственное решение. Этот процесс, по словам исследователей, является элегантной иллюстрацией того, как наблюдение за сигналом формирует кратковременную память, которая, в свою очередь, приводит к решению.