Внутренние состояния, такие как состояние аффекта, голод, жажда, являются мотиваторами для определенных поведенческих актов. Один из главных участков мозга, которое регулирует такое мотивированное поведение – парный орган внутри белого вещества височных долей.
В исследовании 2019 года, опубликованном в Science, авторы задались вопросом: как именно миндалевидное тело кодирует различные внутренние состояния. Регистрируя активность нейронов базальной миндалины с помощью кальциевого имиджинга в различных поведенческих парадигмах, ученым удалось обнаружить два ансамбля нейронов, отвечающих за наличие или отсутствие исследовательского поведения при различных внутренних состояниях.
Способность селективно воспринимать информацию из окружающей среды и адаптировать свое поведение в ответ на изменение внутреннего состояния необходима животным для выживания. К внутренним состояниям относят, например, аффективные состояния, голод, жажду и оборонительное поведение. Известно, что изменения внутренних состояний связаны с изменением активности нейронных ансамблей в таламо-кортикальных областях мозга, обработкой сенсорных стимулов и активностью определенных гормонов. Однако оставалось непонятным, где и как происходит изменение нейронной активности при комплексном изменении внутренних состояний, приводящим к изменению поведения.
Миндалевидное тело (миндалина) играет ключевую роль в формировании эмоций, в частности страха. Поэтому большинство экспериментов, посвященных изучению функций миндалины, проводилось в парадигме классического обусловленного страха (классический «павловский» условный рефлекс на аверсивный стимул). Это позволило идентифицировать нейронные ансамбли, лежащие в основе ассоциативной пластичности.
Однако подобная парадигма не позволяла изучить активность нейронов миндалины во время произвольных поведенческих актов, связанных с изменением внутренних состояний (например, добыча пищи в ответ на голод, оценка риска при наличии угрожающих стимулов и избегание потенциально опасных мест). Базальная миндалина (базальное ядро базолатеральной области миндалевидного тела) является одним из главных центров, регулирущих социальное поведение, а также поведение, связанное с изменением внутренних состояний (аффективных и гомеостатических). Миндалина раздельно обрабатывает внутренние и внешние (сенсорные) стимулы и далее передает информацию в различные области мозга (моторные пути, таламус, сенсорные отделы коры, гипоталамус), участвуя таким образом в формировании сложных поведенческих реакций.
В описываемой нами работе авторы исследовали активность нейронов базальной миндалины в трех поведенческих парадигмах: в тесте «открытое поле», в приподнятом крестообразном лабиринте и в классической парадигме обусловленного страха в ответ на аверсивный стимул. Для этого они проводили мышам стереотаксические операции на мозге и вживляли так называемые GRIN-линзы (gradient index lens), позволяющие с помощью специального миниатюрного флуоресцентного микроскопа, закрепленного на голове животного регистрировать кальциевую активность отдельных популяций нейронов. Предварительно в базальную миндалину вводился аденоассоциированный вирус, переносящий ген флюресцентного белка GCaMP6f, который затем экспрессировался в нейронах и этот белок светился при их активации в ответ на вхождение кальция в клетку во время потенциала действия. Важно отметить, что GRIN-линза не извлекалась из структур миндалины на протяжении всего эксперимента, что позволило ученым регистрировать активность одних и тех же популяций нейронов в различных контекстах.
Схема эксперимента была следующей: в первый день мышей помещали в открытое поле. Животные с закрепленным на голове микроскопом могли свободно передвигаться и исследовать пространство. В процессе эксперимента для каждой мыши записывали кальциевую активность примерно 133 нейронов. В среднем, животные проводили больше времени на периферии открытого поля (в углах и у стен), чем в центре. Причем скорость их передвижения на периферии также была выше. Ученые обнаружили, что во время проявления исследовательской активности — переходов из центра поля на периферию и активного передвижения — у мышей воспроизводимо активировался один и тот же ансамбль нейронов (ансамбль №1). Когда животные возвращались в центр, активность ансамбля №1 снижалась, но в то же время возрастала активность другого ансамбля (ансамбль №2). Дополнительно исследователи с помощью алгоритмов машинного обучения попробовали по активности того или иного ансамбля предсказать, что делает мышь в определенный момент времени. И им это удалось.
На следующий день мышей тестировали в приподнятом крестообразном лабиринте (ПКЛ), где они также могли свободно передвигаться. ПКЛ состоит из двух закрытых рукавов (со стенками), двух открытых рукавов (без стенок) и центральной платформы. Считается, что нахождение в открытых рукавах лабиринта связано с низким уровнем страха. Мыши примерно 81% времени проводили в закрытых рукавах, причем одному из них отдавали большее предпочтение (он служил для них «домиком» — самым безопасным местом). Когда мыши находились в “домике” и не проявляли исследовательскую активность, наблюдалась активация ансамбля №2. Ансамбль №1, напротив, активировался при исследовании других рукавов лабиринта и активном передвижении.
Поскольку в открытом поле и в ПКЛ мыши имели возможность свободно передвигаться и ничему специально не обучались, ученые решили также посмотреть, какой будет активность нейронных ансамблей при обучении. Для этого использовали классическую парадигму условно-рефлекторного замирания. В течение пяти дней мышей помещали в экспериментальную камеру, в которой после предъявления звукового сигнала (условный стимул) животные получали электрокожное раздражение лапок (безусловный стимул). После обучения мыши в ответ на звуковой сигнал замирали, тем самым проявляя страх. Интересно, что, даже находясь на периферии экспериментальной камеры у мышей во время реакции замирания не активировался ансамбль №1. Это говорит о том, что активация того или иного ансамбля действительно связана с наличием или отсутствием исследовательского поведения. Во время реакции страха как правило исследовать что-либо животные не хотят, и свою активность проявляет ансамбль №2 не зависимо от того, находится мышь в центре камеры или на периферии.
Дополнительно ученые исследовали другие области мозга (префронтальную кору, прилежащее ядро и вентральный гипоталамус), изменение активности в которых принято связывать с изменением внутренних состояний и с наличием или отсутствием исследовательского поведения. Выяснилось, что активность в миндалине и в этих областях имеет схожий паттерн, что неудивительно, поскольку миндалина имеет проекции в префронтальную кору, прилежащее ядро и вентральный гипоталамус. Таким образом, миндалина кодирует проявление исследовательского поведения и передает информацию другим нейрональным ансамблям для дальнейшей реализации этого поведения.
В качестве дополнения также предлагаем посмотреть запись с конференции Cosyne 2019, на которой Ян Грюндерманн рассказывает о проделанной работе.
Текст: Евгения Букина