Как мозг реагирует на неожиданные события

Согласно новому исследованию Массачусетского технологического института, когда вашему мозгу нужно, чтобы вы обратили внимание на что-то важное, один из способов сделать это — послать выброс норадреналина.

Этот нейромодулятор, вырабатываемый структурой глубоко в мозгу, называемой голубым пятном, может оказывать широкое воздействие на весь мозг. В исследовании на мышах команда Массачусетского технологического института обнаружила, что одна из ключевых функций норадреналина, также известного как норадреналин, заключается в том, чтобы помочь мозгу учиться на неожиданных результатах.

«Эта работа показывает, что голубое пятно кодирует неожиданные события, и внимание к этим неожиданным событиям имеет решающее значение для мозга, чтобы подвести итоги своего окружения», — говорит Мригангка Сур, профессор нейробиологии Ньютона в отделе мозга и когнитивных функций Массачусетского технологического института. наук, член Института обучения и памяти Пикауэра Массачусетского технологического института и директор Центра социального мозга Саймонса.

В дополнение к его роли в сигнале удивления, исследователи также обнаружили, что норадреналин помогает стимулировать поведение, которое приводит к вознаграждению, особенно в ситуациях, когда существует неуверенность в том, будет ли предложено вознаграждение.

Сур — старший автор нового исследования, опубликованного сегодня в журнале Nature . Ведущими авторами статьи являются Винсент Бретон-Провеншер, бывший постдоктор Массачусетского технологического института, ныне доцент Университета Лаваля, и Габриэль Драммонд, аспирант Массачусетского технологического института.

Модулирование поведения

Норадреналин является одним из нескольких нейромодуляторов, влияющих на мозг, наряду с дофамином, серотонином и ацетилхолином. В отличие от нейротрансмиттеров, которые обеспечивают межклеточную связь, нейромодуляторы высвобождаются на больших участках мозга, что позволяет им оказывать более общие эффекты.

«Считается, что нейромодулирующие вещества проникают в большие области мозга и тем самым изменяют возбуждающее или тормозящее воздействие, которое получают нейроны, более точечно», — говорит Сур. «Это говорит о том, что у них должны быть очень важные функции всего мозга, которые важны для выживания и регуляции состояния мозга».

В то время как ученые многое узнали о роли дофамина в мотивации и стремлении к вознаграждению, меньше известно о других нейромодуляторах, включая норадреналин. Это было связано с возбуждением и повышением бдительности, но слишком много норадреналина может привести к беспокойству.

Предыдущие исследования голубого пятна, основного источника норадреналина в мозге, показали, что оно получает информацию из многих частей мозга, а также посылает свои сигналы повсюду. В новом исследовании команда Массачусетского технологического института решила изучить его роль в конкретном типе обучения, называемом обучением с подкреплением или обучением методом проб и ошибок.

Для этого исследования исследователи обучали мышей нажимать на рычаг, когда они слышали высокочастотный тон, но не когда они слышали низкочастотный тон. Когда мыши правильно реагировали на высокочастотный тон, они получали воду, но если они нажимали на рычаг, когда слышали низкочастотный тон, то получали неприятную струйку воздуха.

Мыши также научились сильнее нажимать на рычаг, когда звуки становились громче. Когда объем был ниже, они были более неуверенны в том, следует ли им пушить или нет. А когда исследователи подавили активность голубого пятна, мыши стали гораздо более нерешительно нажимать на рычаг, когда слышали тихие тоны, что позволяет предположить, что норадреналин помогает рискнуть получить вознаграждение в ситуациях, когда выигрыш неясен.

«Животное тужится, потому что хочет награды, а голубое пятно подает критически важные сигналы, чтобы сказать: «Нажми сейчас», потому что награда придет», — говорит Сур.

Исследователи также обнаружили, что нейроны, которые генерируют этот норадреналиновый сигнал, по-видимому, посылают большую часть своей продукции в моторную кору, что дает больше доказательств того, что этот сигнал стимулирует животных к действию.

Сигнальный сюрприз

Хотя этот первоначальный всплеск норадреналина, по-видимому, стимулирует мышей к действию, исследователи также обнаружили, что второй всплеск часто происходит после завершения испытания. Когда мыши получали ожидаемое вознаграждение, эти всплески были небольшими. Однако, когда результат судебного разбирательства стал неожиданностью, всплески были намного больше. Например, когда мышь получала глоток воздуха вместо ожидаемой награды, голубое пятно посылало большой выброс норадреналина.

В последующих испытаниях эта мышь с гораздо меньшей вероятностью нажмет на рычаг, если не будет уверенности в том, что получит вознаграждение. «Животное постоянно корректирует свое поведение», — говорит Сур. «Несмотря на то, что он уже усвоил задачу, он корректирует свое поведение в зависимости от того, что он только что сделал».

Мыши также демонстрировали всплески норадреналина в испытаниях, когда получали неожиданное вознаграждение. Эти всплески, по-видимому, распространяли норадреналин во многие части мозга, включая префронтальную кору, где происходят планирование и другие высшие когнитивные функции.

«Функция голубого пятна, кодирующая удивление, кажется, гораздо более распространена в мозге, и это может иметь смысл, потому что все, что мы делаем, регулируется удивлением», — говорит Сур.

Теперь исследователи планируют изучить возможную синергию между норадреналином и другими нейромодуляторами, особенно дофамином, который также реагирует на неожиданное вознаграждение. Они также надеются узнать больше о том, как префронтальная кора сохраняет кратковременную память о входных данных от голубого пятна, чтобы помочь животным улучшить свои результаты в будущих испытаниях.

Исследование частично финансировалось Исследовательскими фондами Квебека, Канадским советом по естественным наукам и инженерным исследованиям, премией NARSAD для молодых исследователей от Фонда исследований мозга и поведения, Национальными институтами здравоохранения, Инициативой по исследованию аутизма Фонда Саймонса через Саймонса. Центр социального мозга, Национальный фонд естественных наук Китая и Инициатива NIH BRAIN.