От новичка к эксперту: как меняется мозг в процессе обучения

Международная команда ученых под руководством специалистов из американской Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор выяснила, что происходит с мозгом по мере накопления опыта в выполнении какой-либо задачи. Естественно, у грызунов. Результаты исследователи изложили в статье в журнале Neuron.

Credit:Anne K. Churchland et al. / Neuron 2019

«Мы записали активность сотен нейронов одновременно и изучали то, что с ними происходило во время обучения. Никто не знал, как животные или люди познают структуру задачи и что при этом происходит с нейронами. В большинстве исследований, посвященных принятию решений, используются уже обученные животные», — говорит Анна Черчланд (Anne K. Churchland), одна из авторов работы. 

Исследователи подавали подопытным мышам сигналы в виде одновременных вспышек и пощелкиваний. Те же же должны были «сообщать» о том, с какой скоростью поступают сигналы. Для этого исследователи сначала ограничили животным доступ к воде, а затем установили три поилки с носиками. Когда грызун был «готов» к началу испытания, он должен был лизнуть средний из них. Затем он получал сигнал и, в зависимости от его скорости, лизала правый (высокая) или левый (низкая) носик. За правильные ответы мыши получали воду.

Credit:Anne K. Churchland et al. / Neuron 2019

Во время обучения исследователи наблюдали за мозгом животных с помощью двухфотонного микроскопа, который позволяет изучать живые ткани на глубине более миллиметра.

В среднем животные поняли, что от них требуется и начали уверенно выполнять задания за четыре недели. Если в самом начале обучения нейроны, отвечавшие за действия мышей, активировались только после принятия решения, то к концу эксперимента они включались еще до него. Иными словами, сначала мыши каждый раз обдумывали свои действия, а затем уже заранее знали, что от них требуется.

«Мы смогли как бы прочитать мысли животного, предсказать его действия прежде, чем оно их совершит. Когда ты новичок в чем-то, твой мозг совершает много действий, и в них вовлечены разные нейроны. Но потом, когда вырабатывается навык, ты лишь оттачиваешь его – и мы смогли выявить эту активность», — рассказывает Черчланд.

Чтобы предсказывать действия животных, исследователи создали нейросеть, которая анализировала активность их мозга. К концу эксперимента она могла предсказать решения грызунов с точностью до 90 процентов.

Также нейросеть позволила более детально изучить работу отдельных типов нейронов – возбуждающих и тормозящих. В частности, исследователи установили, что тормозящие нейроны во время принятия решения действуют строго избирательно. Исследователи рассчитывают, что дальнейшие наблюдения помогут больше узнать о том, как познание сказывается на поведении, и понять, как работает процесс принятия решений.

«Мы узнали много нового о принятии решений, связанных с чувственными стимулами: о том, как субъект делает правильный и неправильный выбор, сколько времени требуется на принятие этих решений, как будет выглядеть нейронная активность во время их принятия. Теперь, я надеюсь, мы сможем лучше понять, почему существуют избирательные подсети мозга, как они помогают принимать лучшие решения и как они работают во время обучения», — заключает Черчланд.

Текст: Алла Салькова

Excitatory and Inhibitory Subnetworks Are Equally Selective during Decision-Making and Emerge Simultaneously during Learningby Farzaneh Najafi, Gamaleldin F. Elsayed, Robin Cao, Eftychios Pnevmatikakis, Peter E. Latham, John P. Cunningham, Anne K. Churchland in Neuron. Published November 2019.

 doi:10.1016/j.neuron.2019.09.045

Читайте материалы нашего сайта в Facebook, ВКонтакте, Яндекс-Дзен, Одноклассниках и канале в Telegram, а также следите за новыми картинками дня в Instagram