Ученые из отдела нейронных вычислений Окинавского института науки и технологий (OIST) использовали новейшую технологию оптической нейровизуализации, чтобы изолировать нейроны в стриосоме и зарегистрировать их активность. Тем самым они надеялись пролить свет на роль стриосомальных нейронов в обучении с подкреплением.
В статье, которая опубликована в журнале eNeuro, показано, что эти клетки играют ключевую роль в процессе прогнозирования награды.
Скопление серого вещества внутри белого на уровне основания полушарий, называемое базальными ганглиями, играет важную роль в обучении с подкреплением — когда живые существа обучаются, запоминая сенсорные сигналы или действия, которые приводят к хорошим или плохим результатам. Большая часть базальных ганглиев, так называемое полосатое тело (стриатум), состоит из переплетения двух типов тканей: стриосомы и матрикса. Однако, хотя они были обнаружены три десятилетия назад, их роль в функционировании головного мозга остается загадкой.
Существует предположение, что нейроны стриосомы вовлечены в процесс “прогнозирования награды”. Эти клетки соединяются с нейронами среднего мозга, продуцирующими дофамин — нейромедиатор, вызывающий чувство удовлетворения.
«Прогнозирование награды важно для нашей повседневной жизни, — говорит профессор Кэндзи Дойа, глава отдела нейронных вычислений, — например, когда вы находите свое любимое блюдо на экране выбора или в меню, вы можете получить удовольствие даже до того, как съедите его, и сделаете соответствующий выбор». Но роль стриосомальных нейронов в прогнозировании награды невозможно было подтвердить, ведь они составляют только 15% полосатого тела и разбросаны по нему мозаично, из-за чего их очень сложно изолировать.
Ученые из OIST преодолели это затруднение, используя специальную технологию визуализации и манипуляции с генами. Они работали с трансгенными мышами, которые экспрессируют специфические гены только в стриосомальных нейронах. Эти гены отвечают за синтез кальциевых индикаторов, которые флуоресцируют при нейронной активности. А благодаря новейшему эндомикроскопу со стеклянным стержнем в качестве линзы, разработанному в Стэнфордском университете, исследователи смогли изучать стриосому с минимальной инвазией. Используя этот метод визуализации в работе с трансгенными мышами, ученые смогли наблюдать стриосомальные нейроны в течение длительных периодов времени и измерять их активность.
Исследователи давали мышам четыре разных запаха: банан, лимон, корицу и мяту. После каждого запаха следовало один из типов подкрепления — много воды, мало воды, струя ветра в мордочку или ничего. Мыши запоминали запах, после которого следовало позитивное подкрепление и начинали лизать трубку еще до того, как по ней начали подавать воду.
Исследователи показали, что стриосомальные нейроны проявляли бо́льшую активность в ответ на запахи, связанные с ожидаемым позитивным подкреплением (подача воды). Притом чем больше было ожидаемое количество жидкости, тем выше была активность. Исследуемые клетки также были возбуждены в процессе самого подкрепления (подачи воздуха или воды). Все это подтверждает участие стриосомальных нейронов в прогнозировании награды и передаче данных об актуальном подкреплении. Также было установлено, что наивысшая степень активности отмечается на ранних стадиях обучения, примерно через одну — две недели после начала процесса.
Понимание специфической роли стриосомальных нейронов должно помочь исследователям диагностировать и лечить расстройства, вызванные проблемами в этой части мозга — например, хорею Гентингтона.
«Мы многое можем почерпнуть у мышей, потому что мозаичное строение стриосомы и матрикса в человеческом и мышином мозгу аналогично», — говорит Томохико Йошизава, один из авторов исследования.
Текст: Денис Гордеев