Исследователи, участники программы по нейронаукам Центра Шамполимо в Португалии, определили область мозга, ответственную за побуждение к действию. Кроме того, они обнаружили и другую область, которая действие подавляет. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, сообщается, что импульсивное поведение может быть вызвано или подавлено активацией этих областей.
Credit: public domain
Финал ссоревнований. Спортсмены выстроились в линию на старте. Слышится команда “По местам!”. “Приготовиться!”. За долю секунды до сигнального выстрела один из спортсменов начинает бег… И его дисквалифицируют за фальстарт.
Именно в такие болезненные моменты выявляется аспект поведения, о котором мы редко задумываемся — подавление каких-либо действий. Новая работа посвящена тому, как мозг дает нам сигналы на несовершение действий.
Команда Джозефа Патона (Joseph Paton) решила разгадать головоломку, которая отчасти возникла из-за болезни Паркинсона и Гентингтона. Они проявляются в виде двигательных расстройств с совершенно различными симптомами. В то время как пациенты с болезнью Гентингтона страдают от неконтролируемых, непроизвольных движений, пациенты с болезнью Паркинсона борются с инициацией действия. Примечательно, что оба состояния протекают из дисфункции одной и той же области мозга – базальных ганглиев. Базальные ганглии в первую очередь участвуют в выборе действий, помогая решить, какое из нескольких возможных вариантов поведения выполнить в любой момент времени.
Как одна и та же структура может поддерживать противоречивые функции?
Credit: public domain
По словам Патона, ценный намек удалось получить в результате прошлых работ, которые выявили два основных контура в базальных ганглиях: прямой и непрямой пути. Считается, что в то время как активность прямого пути способствует движению, косвенный путь подавляет его. Однако точный способ, с помощью которого осуществляется это взаимодействие, был в значительной степени неизвестен.
Задача с изюминкой
Команда Патона оригинально подошла к решению этой проблемы и вместо изучения базальных ганглиев в движении сосредоточилась на подавлении ими активных действий. Они придумали задачу, в которой мыши должны были определить, какой интервал разделял два тона (длиннее или короче на 1,5 секунды). Если интервал оказывался короче, вознаграждение ожидало мышь в левой части окна, а если длиннее – справа.
«Основная идея эксперимента заключалось в том, что мышь должна была оставаться совершенно неподвижной в промежутке двух звуков. Таким образом, даже если животное было уверено, что 1,5-секундная отметка пройдена, ему нужно было подавить желание двигаться до тех пор, пока не прозвучит второй сигнал, и только тогда идти за наградой», — поясняют авторы.
Эксперимент с мышами. Credit: Champalimaud Center for the Unknown
Ученые отследили нейронную активность во всех двух вариантах, пока мышь выполняла эту задачу. Как и в предыдущих исследованиях, уровни активности были одинаковыми, пока мышь двигалась. Однако в период бездействия все изменилось.
«Интересно, что в отличие от коактивации (одновременного сокращение мышц-агонистов, отвечающих за данное движение, и антагонистов, расположенных на противоположной стороне сустава – прим. ред.), которую и мы, и другие коллеги наблюдали во время движения, шаблоны активности по двум путям оказались поразительно разными в течение периода подавления. Активность непрямого (ожидания) пути в целом была выше и постоянно увеличивалась, пока мышь ждала второй сигнал», — отмечают ученые.
По их мнению, это наблюдение предполагает, что косвенный путь гибко поддерживает поведенческие цели животного. С течением времени мышь, видимо, становится все более уверенной в том, что она находится в испытании с ‘длительным интервалом’. И поэтому ее стремление двигаться становится все более трудно сдерживаемым. Вполне вероятно, что этот непрерывный рост активности отражает внутреннюю борьбу.
Вдохновленные этой идеей ученые проверили эффект ингибирования непрямого пути. Эта манипуляция заставляла мышей чаще вести себя импульсивно, значительно увеличивая количество испытаний, в которых они преждевременно устремлялись к порту вознаграждения. С помощью этого инновационного подхода команда обнаружила так называемый “переключатель”.
В поисках желания действовать
Исследователи определили область мозга, которая подавляет побуждение к действию, но откуда же оно берется? Ученые решили обратиться к вычислительному моделированию, которое способно продемонстрировать динамику изменения свойств системы.
Они взяли накопленные знания о базальных ганглиях, сформулировали их по математической модели и проверили, как система обрабатывает информацию. Затем они объединили информацию, выданную моделью, с данными предыдущих исследований и определили новую зону, которая может иметь большее влияние на действие – дорсомедиальный стриатум. В этой зоне мозга, влияющей на поведение, под действием этилового спирта может длительно изменяться морфология – точнее, спиртное провоцирует изменения физической структуры медиальных шиповатых нейронов.
Дорсомедиальный стриатум. Credit: public domain
Гипотеза команды оказалась верной. Ингибирования, то есть подавления нейронов прямого пути в этой области было достаточно для изменения поведения животных.
«Обе области, которые мы взяли на вооружение, расположены в части базальных ганглиев, называемой полосатым телом. Первая область отвечает за так называемые «низкоуровневые» моторно-сенсорные функции, а вторая посвящена функциям «высокого уровня», таким как принятие решений» — поясняют авторы.
От действия к искушению
Авторы утверждают, что их выводы противоречат общему представлению о том, как работают базальные ганглии.
«Наше исследование показывает, что в мозге потенциально существует множество нейронных цепей, которые постоянно конкурируют за то, какое действие выполнить следующим. Это понимание важно для более глубокого понимания того, как работает эта система, что крайне важно для лечения определенных двигательных расстройств, но оно идет еще дальше» — говорит Джозеф Патон.
Он считает, что наблюдения нейробиологов лежат в основе многих методов машинного обучения и искусственного интеллекта. Идея о том, что принятие решений может происходить посредством взаимодействия множества параллельных цепей в рамках одной и той же системы, может оказаться полезной для разработки новых типов интеллектуальных систем.
Наконец, авторы предполагают, что их выводы помогут отчасти получить доступ к внутренним когнитивным переживаниям.
«Импульсивность, искушение… Эти внутренние процессы — одни из самых интересных, которые производит мозг, потому что они отражают нашу внутреннюю жизнь, но их также труднее всего изучать, так как у них не так много внешних признаков, которые мы могли бы определить. Создание нового метода было непростой задачей, но теперь у нас есть мощнейший инструмент для исследования внутренних механизмов сопротивления искушениям или, наоборот, желания ему поддаться».
Текст: Софья Королёва
Action suppression reveals opponent parallel control via striatal circuits by Joseph Paton et al.in Nature. Published July 2022. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04894-9