Когда большая боевая единица, широко рассредоточенная в густых джунглях, идет в бой, ни один солдат не знает точно, как его действия влияют на успех или поражение отряда. Но в современных армиях каждый солдат подключен через аудиоканал, который может мгновенно принимать радиопередачи, сообщающие как о положительных, так и отрицательных сюрпризах, на основе новых разведданных. Трансляции в реальном времени позволяют рассредоточенным войскам извлекать уроки из этих отчетов и могут иметь решающее значение, поскольку ни один солдат не имеет обзора ситуации всего подразделения.
Точно так же, как только что обнаружили нейробиологи из лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL), в базальном переднем мозге есть набор специализированных нейронов, которые транслируют сообщение по всей коре головного мозга, быстро информируя множество распределенных субрегионов о любых неожиданных наградах или наказаниях – что ученые вызвать подкрепление.
Рассматриваемые нейроны являются холинергическими, и команде под руководством доцента Адама Кепекса удалось впервые зарегистрировать их активность у поведения животных (мышей).
Холинергические нейроны образуют одну из нескольких нейромодуляторных систем мозга – они посылают сигналы в виде нейромедиатора ацетилхолина в широкие участки мозга. Хотя считалось, что они играют важную роль в возбуждении, внимании и обучении, их точная роль в поведении оставалась загадкой – отчасти из-за технических трудностей с записью с них in vivo. Дегенерация и потеря холинергических нейронов в базальных отделах переднего мозга связаны с болезнью Альцгеймера, возрастным снижением когнитивных функций и другими когнитивными расстройствами и деменциями.
В статье, опубликованной сегодня в журнале Cell, Кепекс и его коллеги сообщают о том, как функционируют центральные холинергические нейроны, используя оптогенетическую идентификацию нейронов – методику, в которой нейроны мыши генетически сконструированы так, чтобы реагировать на свет. "Это нейроны, которые очень и очень трудно найти, и они образуют невероятно важную систему в мозгу," Kepecs говорит. "До недавнего времени у нас не было методов, позволяющих приблизиться к этой системе с необходимой точностью."
После того, как они идентифицировали холинергические нейроны, команда записала их активность, в то время как мыши выполняли задачу по обнаружению звука, требующую постоянного внимания. В зависимости от того, был ли их ответ правильным или нет, мышей либо награждали каплей воды, либо "наказан" с легким дуновением воздуха им в лицо. Постдокторант Балаш Хангья из лаборатории Kepecs обнаружил, что эти нейроны реагируют на вознаграждение и наказание с необычной скоростью и точностью, занимая всего несколько тысячных долей секунды.
Чтобы объяснить ответы, исследователи построили вычислительную модель, которая показала, что модуляция силы сигнала была пропорциональна тому, насколько неожиданным или удивительным было то, что мыши нашли награду или наказание. Согласно модели, если мыши были уверены, что их ответ был правильным, вознаграждение генерировало слабый сигнал. Но если они не были уверены, награда была скорее сюрпризом и вызвала более сильный холинергический сигнал. "Это говорит нам о том, что дело не в наказании как таковом, а просто в том, что наказание обычно более удивительно," Kepecs говорит.
Kepecs предполагает, что холинергические трансляции в кору головного мозга могут быть полезны для повышения пластичности, обеспечивая гибкость нейронных связей, что делает возможным обучение. Независимо от того, регистрирует ли сюрприз результат или событие, которое было лучше или хуже, чем ожидалось, тот факт, что он был неожиданным, и степень, в которой это было, является очевидным преимуществом для отдельного человека, как, действительно, постоянная разведка для солдат в подразделении. опутан битвой в джунглях.