Учёные обнаружили гибкие нейронные цепи, которые позволяют мозгу переключаться между разными задачами
Нейробиологи Массачусетского технологического института обнаружили в префронтальной коре головного мозга нейронные цепи, которые способны менять своё назначение в зависимости от выполняемой задачи. Одни и те же группы нейронов могут временно хранить разные виды информации — например, сенсорный сигнал или план будущего действия.
Учёные давно предполагали, что мозг использует своеобразные функциональные модули — группы нейронов, способные выполнять одну и ту же вычислительную операцию в разных ситуациях. Такая организация могла бы объяснить, каким образом мозг справляется с огромным количеством разнообразных задач, не создавая отдельную нейронную систему для каждой из них.
В новом исследовании на мышах нейробиологи получили первые свидетельства того, что такие гибкие модули действительно существуют. Оказалось, что одна и та же группа нейронов префронтальной коры может использоваться для хранения в рабочей памяти либо сенсорной информации, либо плана действия.
«Мозг не выделяет отдельную группу нейронов для каждого типа информации. Вместо этого он использует одни и те же популяции нейронов для выполнения одинаковых вычислений с разными видами информации», — говорит ведущий автор исследования Юма Осако, научный сотрудник MIT.
Исследователи предполагают, что такая организация позволяет мозгу комбинировать уже существующие нейронные компоненты и создавать большое разнообразие моделей поведения.
Чтобы проверить эту гипотезу, учёные обучили мышей выполнять задачу, в которой животным нужно было сравнивать два звуковых сигнала — высокочастотный или низкочастотный — и в зависимости от их совпадения выбирать определённое действие.
Во время выполнения задания исследователи регистрировали электрическую активность тысяч нейронов, сосредоточившись главным образом на префронтальной и теменной коре. Префронтальная кора участвует в планировании и принятии решений, тогда как теменная кора связана с обработкой сенсорной информации и подготовкой движений.
Учёные отдельно изучили два промежутка времени. Первый находился между первым и вторым звуковыми сигналами, когда мышь должна была удерживать в рабочей памяти информацию о первом тоне. Второй начинался после второго сигнала и продолжался до момента выбора действия — в этот период животному требовалось сохранять в памяти принятое решение и план действия.
В теменной коре исследователи обнаружили нейроны, которые в основном хранили информацию о звуковом сигнале. В префронтальной коре ситуация оказалась иной: там была обнаружена группа нейронов, способная переключаться между двумя типами информации.
В первом временном интервале эта группа сохраняла память о первом звуковом сигнале. Во втором она использовалась уже для хранения плана действия. Таким образом, одна и та же нейронная цепь меняла функциональное назначение в зависимости от текущей задачи.
По мнению исследователей, повторное использование таких нейронных модулей позволяет мозгу гибко работать с разными типами информации, используя ограниченное количество нейронов.
«Когда мыши выполняют задачи, проверяющие возможность повторного использования вычислений памяти, ответ оказывается положительным», — отмечает Мриганка Сур, профессор нейронаук в Институте обучения и памяти Пикауэра MIT. По её словам, определённые функциональные области активности префронтальной коры могут служить основой для комбинирования нейронных компонентов, необходимого для гибкого мышления.
Полученные результаты поддерживают концепцию, согласно которой мозг не формирует полностью новую нейронную цепь всякий раз, когда человек или животное осваивает новую задачу. Вместо этого уже существующие цепи могут использоваться повторно и включаться в различные комбинации.
«В мозге существует цепь, которая поддерживает элементы рабочей памяти, и в неё можно помещать либо сенсорную, либо двигательную информацию, гибко используя её в зависимости от текущей задачи», — говорит Тимоти Бушман, профессор Принстонского института нейронаук и один из старших авторов исследования.
Исследователи планируют проверить следующий этап этой гипотезы: они хотят временно подавлять обнаруженные нейронные модули на разных этапах выполнения задания и наблюдать, как это влияет на поведение животных. Такой эксперимент позволит точнее определить, действительно ли эти модули непосредственно участвуют в выполнении разных функций.
Исследование в журнале Nature Neuroscience.