Нейробиологи утверждают, что область мозга является ключевым местом обучения

Мозг

Маленькая и, казалось бы, специализированная область голубого пятна (LC) головного мозга стереотипировалась из-за чрезмерного экспорта стимулирующего возбуждение нейромодулятора норэпинефрина.

В новой статье и с новым грантом от Национальных институтов здоровья нейробиологическая лаборатория Массачусетского технологического института утверждает, что LC — это не просто тревожная кнопка, но она оказывает более тонкое и многогранное влияние на обучение, поведение и психическое здоровье, чем она.

Благодаря входам из более чем 100 других областей мозга и сложному контролю того, где и когда он отправляет норэпинефрин (NE), крошечная популяция LC удивительно разнообразных клеток может представлять собой важный регулятор обучения на основе вознаграждения и наказания, а затем применения этого опыта для оптимизации поведения, — сказала Мриганка Сур, профессор нейробиологии Ньютона в Институте обучения и памяти Пикауэра и Департамента мозговых и когнитивных наук в MIT.

«То, что раньше считалось однородным ядром, оказывающим глобальное единообразное влияние на множество разнообразных целевых регионов «Сейчас предполагается, что это гетерогенная популяция высвобождающих NE клеток, потенциально проявляющая как пространственную, так и временную модульность, которая управляет ее функциями», — написали Сур, постдок Винсент Бретон-Провеншер и аспирантка Габриэль Драммонд в обзорной статье, опубликованной в прошлом месяце в Границы в нейронных цепях .

В статье представлены многочисленные новые свидетельства группы Сура и многих других, предполагающие, что LC может объединять сенсорные входы и внутренние когнитивные состояния, поступающие по всему мозгу, чтобы точно выполнять его опосредованное NE влияние на действия — путем дросселирования NE в моторной коре — и обработки результирующей обратной связи вознаграждения или наказания — путем дросселирования NE в префронтальной коре.

Чтобы исследовать эту гипотезу, команда начала работу с 5-летним грантом NIH в размере 2,1 миллиона долларов, присужденным в апреле. В этом исследовании они вовлекают мышей в учебные задания, где им задают звуковые сигналы различной высоты и громкости. В ходе обучения мыши узнают, что при высоком тональном звуке нажатие на рычаг дает вознаграждение, а при низком уровне звука правильной реакцией будет не нажимать, чтобы не испустить неприятный порыв воздуха. Изменяя громкость звука, экспериментаторы будут варьировать уверенность, которую мыши могут почувствовать, что они услышали сигнал правильно.

Гипотеза (подтвержденная предварительными данными) предсказывает, что NE будет иметь значение во многих важных аспектах, Sur сказал. Когда мышь слышит звуковой сигнал, если высота тона низкая, LC будет отправлять меньше NE через кадры нейронов в моторную кору, отражая убежденность животного в том, что на рычаг не следует нажимать, потому что вознаграждения не будет. Между тем, чем ниже громкость, тем меньше у животного уверенности в своем решении. И наоборот, высокий тон на большой громкости будет передавать больше NE, отражая уверенность животного в том, что нажатие на рычаг приведет к вознаграждению.

После того, как мышь подействовала, чем более удивительна обратная связь, тем больше NE она будет производить. и отправить через отдельную группу в префронтальную кору, стимулируя более глубокое обучение. Так, например, если мышь слышит слабый высокий тон и осторожно нажимает на рычаг, неожиданность полученного вознаграждения будет стимулировать сильный выброс NE, чтобы проинструктировать префронтальную кору, потому что ее ожидания не были очень высокими. Всякий раз, когда мышь ошибается и чувствует дуновение воздуха, это стимулирует выброс сильнейшего НЭ в префронтальную кору. После такой динамики команда Сура наблюдала последовательные изменения производительности в последующем испытании.

«Это способ, которым норэпинефрин можно рассматривать как сигнал возбуждения, но это также, что важно, в контексте продолжающегося — сигнал обучения, — сказал Сур. «Это одновременно и сигнал выполнения, и сигнал обучения, для которых мы можем описать фактические количественные отношения».

Команда будет не только измерять активность нейронов LC-NE, они также будут возьмите их на себя с помощью оптогенетики (в которой нейроны можно контролировать с помощью света), чтобы они могли заглушить или усилить вывод LC-NE, чтобы показать, как каждое действие влияет на действия и обучение.

Понимание истинной природы того, как работает LC, может быть полезно для улучшения лечения определенных заболеваний, — сказал Сур. Например, потенциальное лечение посттравматического стрессового расстройства включает подавление восприимчивости к НЭ, но это также способствует сонливости. По его словам, более принципиальное и точное лечение могло бы повысить эффективность и уменьшить эти побочные эффекты.

«Надежда состоит в том, чтобы повлиять на беспокойство, но не вызвать у вас сонливость, если мы поймем цели и теорию, лежащую в основе этого», — сказал Сур. сказал. «Это надежда фундаментальной науки на лечение расстройств — делать вещи все более и более конкретными, определять схемы и специфичность функций, в которых задействована система».

Более того, LC является одним из первых По его словам, регион поражен болезнью Альцгеймера. Правильный подход к этой потере может помочь сохранить формы обучения и познания.