Нейробиологи узнали, что заставляет наш мозг удивляться и как это помогает в обучении

Исследователи из Массачусетского технологического института детально изучили реакцию мозга на неожиданные события, механизм принятия решений, а также то, как чувство удивления помогает в обучении и какую роль во всем этом играет норадреналин.

Норадреналин (или норэпинефрин) — один из основных нейромодуляторов, воздействующий на нейроны во многих областях головного мозга, но вырабатывающийся в основном глубоко в его недрах, в клетках голубого пятна (области голубоватого цвета в стволе мозга). Он участвует во множестве функций мозга, включая возбуждение, повышение бдительности, память, обучение и состояние беспокойства. Дисфункция голубого пятна, дегенерация системы производства или распознавания норадреналина считаются признаками таких нейродегенеративных заболеваний, как болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона. 

Большая часть норадреналина в головном мозге вырабатывается двумя ядрами голубого пятна (по одному в каждом полушарии). Нейроны голубого пятна помечены зеленым флуоресцентным белком / © Gabi Drummond

В новом исследовании команда из Массачусетского технологического института (США) решила изучить роль голубого пятна в конкретном типе обучения — обучения с подкреплением, или методом проб и ошибок. Для этого авторы обучали мышей нажимать на рычаг, когда они слышали высокочастотный звуковой сигнал, и ничего не делать в случае низкочастотного сигнала. Когда грызуны правильно реагировали на высокочастотный сигнал, они получали воду, но если нажимали на рычаг, когда слышали низкочастотный звук, то получали неприятную струйку воздуха. 

Помимо этого, животных обучили сильнее и решительнее (по сути, быстрее) нажимать на рычаг, когда высокочастотные звуки становились громче. Когда их громкость сигнала была ниже, мыши были менее уверены в том, следует им нажимать или нет, что отражалось на увеличении времени принятия решения.  

Чтобы проверить роль именно голубого пятна в обучении и процессе принятия решений, исследователи подавили его активность у обученных особей. В результате период времени, необходимого на то, чтобы решиться нажать на рычаг, у таких мышей значительно увеличивался. 

Это позволяет предположить, что высвобождение норадреналина голубым пятном помогает рискнуть получить вознаграждение даже в ситуациях, когда выигрыш не гарантирован. Исследователи также обнаружили, что нейроны, которые генерируют этот норадреналиновый сигнал, по-видимому, посылают большую часть нейромодулятора в моторную кору, чтобы стимулировать животное к действию. 

Подробная схема проведения эксперимента (а, b) и результаты исследования / © Mriganka Sur, et al., Nature, 2022

Хотя первоначальный всплеск выработки норадреналина, по-видимому, стимулирует мышей к действию, ученые выяснили, что зачастую встречается второй всплеск, происходящий уже после завершения обучения и испытания. Когда в конце испытуемые получали ожидаемое вознаграждение, эти всплески были небольшими. Однако, когда результат получался неожиданным (например, если мышь получала неприятную струйку воздуха вместо ожидаемой заслуженной награды), всплески выработки нейромодулятора оказались намного больше. 

«В последующих испытаниях такая мышь с гораздо меньшей вероятностью нажмет на рычаг, если не будет уверена в том, что получит вознаграждение. Животное постоянно корректирует свое поведение, — объяснил профессор нейробиологии в отделе изучения мозга и когнитивных функций Массачусетского технологического института и главный автор исследования Мригангка Сур (Mriganka Sur). — Хотя мышь уже усвоила задачу, она корректирует свое поведение в зависимости от того, что только что сделала». 

Подопытные также демонстрировали всплески выработки норадреналина в испытаниях, когда получали неожиданное вознаграждение. Эти всплески, по-видимому, распространяли норадреналин во многие части мозга, включая префронтальную кору, ответственную за планирование сложного поведения, принятие решений и другие высшие когнитивные функции. Подобная реакция на неожиданные события позволяла корректировать результаты обучения и лучше выполнять задачу на последующих стадиях исследования. 

В дальнейшем авторы работы планируют изучить возможное взаимодействие норадреналина с другими нейромодуляторами, особенно дофамином, который, как известно, тоже реагирует на неожиданное вознаграждение. Кроме того, ученые надеются узнать больше о том, каким образом префронтальная кора сохраняет информацию о сигналах от голубого пятна, чтобы помочь животным улучшить свои результаты в будущих испытаниях.