Некоторые вещи кажутся нам почти автоматическими, например, открытие холодильника, когда мы голодны, или включение кондиционера, когда температура поднимается. Хотя такие решения, кажется, не требуют особых размышлений, на самом деле они генерируются миллионами нейронов и многочисленными взаимодействиями между несколькими областями мозга - динамической системой, настолько сложной, что ученые не могут наблюдать ее полностью и в режиме реального времени, даже в простых организмах.
Единственным исключением являются рыбки данио, чьи процессы принятия решений теперь становятся более ясными. В работе, опубликованной в журнале Cell, исследователи смогли отследить активность каждого нейрона во всем мозге личинок рыбок данио и реконструировать развитие нейронных событий, когда животные неоднократно делали выбор «влево или вправо» в поведенческом эксперименте.
Покадровое представление принимаемого решения было настолько подробным, что за 10 секунд до ответа рыбы исследователи могли предсказать, каким будет ее следующий ход и когда он его выполнит.
По решению
Понимание того, как мозг принимает решения, включает в себя отслеживание того, как нейроны в нескольких областях мозга реагируют и взаимодействуют, что, если быть точным, далеко не тривиально. Ученые уже давно застряли между двумя вариантами: они могут либо внимательно наблюдать за возбуждением только подмножества нейронов, что ограничивает их представление о всей картине, либо смотреть на всю активность мозга, усредняя данные по нескольким испытаниям, чтобы уменьшить шум. Однако усреднение приводит к потере некоторых деталей.
«Мы хотели понять, как решения разворачиваются в ходе каждого испытания», - говорит Алипаша Вазири, руководитель Лаборатории нейротехнологий и биофизики. Для этого команда объединила передовые статистические методы с недавно разработанной техникой визуализации, микроскопией светового поля, которая позволяет одновременно отслеживать активность каждого нейрона в мозгу личинок рыбок данио.
Но прежде чем подвергнуть рыб экспериментам, ученые должны были научить их новому поведению, которое было не просто рефлексивным, а целенаправленным.
Цель, с точки зрения рыбы, состояла в том, чтобы избавиться от жары. Исследователи слегка нагревали воду вокруг рыбы с помощью лазера и выключали лазер только тогда, когда рыба делала движение хвостом вправо. Примерно после 15 повторений рыбы освоили трюк: они реагировали на согревающую среду примерно через 20 секунд после включения лазера. Примерно в 80 % случаев рыба помнила, что нужно вертеть хвостом в правильном направлении. (Чтобы избежать каких-либо отклонений в направлении, весь эксперимент также был повторен, научив рыбу поворачивать хвост влево.)
В течение промежутка после включения лазера и до того, как рыба начала двигаться, исследователи отслеживали состояние активности около 5000 наиболее активных нейронов во всем мозге. Затем они определили, какие паттерны активности отражали восприятие мозгом тепла или движение хвоста, а какие оказались связанными с принятием решений. В частности, они обнаружили, что примерно за 10 секунд до того, как рыба сделала движение, ее мозговые паттерны различались в зависимости от того, собиралась ли рыба сделать правильный или неправильный поворот.
Располагая этой информацией, исследователи могли посмотреть на состояние мозга любой маленькой рыбки и в 80% случаев правильно угадать, что рыбка собиралась сделать: они смогли предсказать конкретное время, в которое животные будут инициировать поворот и его направление в каждом испытании.
Неожиданный игрок
Установив, какие кластеры нейронов соответствуют различным аспектам задачи, исследователи затем нанесли нейроны на карту их анатомических областей. «Это позволило нам увидеть, какие области мозга были вовлечены в какие аспекты задачи, когда решение разворачивалось в каждом испытании», - говорит Вазири.
Несколько областей мозга участвовали в преобразовании сенсорной информации в решение и действие, но одна область выделялась: мозжечок. Скорость активности нейронов в этой части мозга определяла точное время движения хвоста. Кроме того, асимметричная активность в двух полушариях мозжечка, начавшаяся с начала течки и постепенно нарастающая, пока рыба не шевельнула хвостом, предсказывала направление, в котором рыба собиралась повернуть.
Другими словами, мозжечок - область, наиболее известная своей ролью в координации, равновесии и точной настройке движений - по-видимому, играет главную роль в формировании решений животных.
«Это было удивительно», - говорит Вазири, добавляя, что несколько исследований последних лет указывают на то же направление. «Я думаю, что в более общем плане мы могли бы обнаружить, что мозжечок участвует в большем количестве когнитивных функций мозга, чем мы традиционно думали».