Ученые выяснили, как мозг контролирует желание действовать

Это финальная гонка. На дорожке выстраиваются восемь спортсменов, их ноги напряженно упираются в стартовые колодки. Они слышат отсчет: «На старт!», «Приготовься», а затем, за долю секунды до выстрела, бегун прыгает вперед, дисквалифицируя себя с соревнований. Именно в такие моменты болезненно выявляется часто упускаемый из виду аспект поведения — подавление действия.

Исследование, опубликованное сегодня в журнале Nature , раскрывает, как мозг удерживает нас от поспешных действий. «Мы обнаружили область мозга, ответственную за побуждение к действию, а другую — за подавление этого побуждения. Мы также могли вызвать импульсивное поведение, манипулируя нейронами в этих областях», — сказал старший автор исследования Джо Патон, директор программы неврологии Шампалимо в Португалии.

Решение загадки

Команда Патона решила решить загадку, частично возникшую из-за болезней Паркинсона и Гентингтона. Эти состояния проявляются двигательными нарушениями с широко противоположными симптомами. В то время как пациенты с болезнью Хантингтона страдают от неконтролируемых, непроизвольных движений, пациенты с болезнью Паркинсона борются с инициацией действия. Примечательно, что оба состояния связаны с дисфункцией одной и той же области мозга: базальных ганглиев. Как одна и та же структура может поддерживать противоречивые функции?

Согласно Патону, ценный намек появился в прошлых исследованиях, которые выявили два основных контура в базальных ганглиях: прямой и непрямой пути. Считается, что в то время как активность прямого пути способствует движению, непрямой путь подавляет его. Однако точный способ, которым осуществляется это взаимодействие, был в значительной степени неизвестен.

Задача на время с изюминкой

Патон оригинально подошел к проблеме. В то время как в предыдущих исследованиях изучались базальные ганглии во время движения, команда Патона вместо этого сосредоточилась на подавлении активного действия.

Команда разработала задачу, в которой мыши должны были определить, был ли интервал, разделяющий два тона, длиннее или короче 1,5 секунды. Если бы он был короче, награда была бы предоставлена ​​с левой стороны коробки, а если бы была длиннее, то она была бы доступна справа.

«Ключевым было то, что мышь должна была оставаться совершенно неподвижной в период между двумя тонами», — сказал Бруно Круз, аспирант лаборатории. «Поэтому, 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».

«Переключатель» импульсивности

Исследователи отслеживали нейронную активность обоих путей, пока мышь выполняла задание. Как и в прошлых исследованиях, уровни активности были одинаковыми, когда мышь двигалась. Однако в период подавления действий все изменилось.

«Интересно, что в отличие от коактивации, которую мы и другие наблюдали во время движения, паттерны активности двух путей разительно различались в период подавления действия. Активность непрямого пути была в целом выше и постоянно увеличивалась, пока мышь ждала второго тона. ", - сказал Круз.

По мнению авторов, это наблюдение предполагает, что непрямой путь гибко поддерживает поведенческие цели животного. «С течением времени мышь становится более уверенной в том, что она находится в «долговременном» испытании. И поэтому ее желание двигаться становится все труднее сдерживать. Вполне вероятно, что это постоянное увеличение активности отражает эту внутреннюю борьбу», — объяснил Круз.

Вдохновленный этой идеей, Круз проверил эффект ингибирования непрямого пути. Эта манипуляция заставляла мышей вести себя чаще импульсивно, что значительно увеличивало количество попыток, когда они преждевременно бросались к порту вознаграждения. С помощью этого новаторского подхода команда эффективно обнаружила «переключатель импульсивности».

«Это открытие имеет широкие последствия, — размышлял Патон. «В дополнение к явной значимости для болезни Паркинсона и Хантингтона, это также дает уникальную возможность исследовать состояния импульсивного контроля, такие как зависимость и обсессивно-компульсивное расстройство».

Поиск побуждения к действию

Команда определила область мозга, которая активно подавляет стремление к действию, но откуда возникает это стремление? Поскольку считается, что прямой путь способствует действию, непосредственным подозреваемым был прямой путь той же области. Однако поведение мыши практически не изменилось, когда исследователи запретили ее.

«Мы знали, что мыши испытывали сильное побуждение к действию, потому что устранение подавления стимулировало импульсивное действие. Но не сразу было ясно, где еще может быть место стимулирования действия. Чтобы ответить на этот вопрос, мы решили обратиться к компьютерному моделированию. ", - вспоминал Патон.

«Математические модели чрезвычайно полезны для понимания сложных систем, таких как эта», — добавил Гонсало Гиомар, аспирант лаборатории. «Мы взяли накопленные знания о базальных ганглиях, сформулировали их математически и проверили, как система обрабатывает информацию. Затем мы объединили предсказание модели с данными предыдущих исследований и определили многообещающего нового кандидата: дорсомедиальное полосатое тело».

Гипотеза команды оказалась верной. Ингибирования нейронов прямого пути в этой новой области было достаточно, чтобы изменить поведение мыши. «Обе области, которые мы записывали, расположены в части базальных ганглиев, называемой полосатым телом. Первая область отвечает за так называемые моторно-сенсорные функции «низкого уровня», а вторая — за функции «высокого уровня». таких как принятие решений», — пояснил Гиомар.

От действия к искушению и далее

Авторы утверждают, что их результаты противоречат общему представлению о том, как работают базальные ганглии, которые более централизованы, и что их модель предлагает новый взгляд на то, как работают базальные ганглии.

«Наше исследование показывает, что потенциально существует несколько нейронных цепей в мозгу, которые постоянно конкурируют между собой за то, какое действие выполнить следующим. Это понимание важно для более глубокого понимания того, как работает эта система, что необходимо для лечения определенных двигательных расстройств , но это не так . даже дальше», — сказал Патон. «Наблюдения в области нейробиологии лежат в основе многих методов машинного обучения и искусственного интеллекта. Идея о том, что принятие решений может происходить посредством взаимодействия множества параллельных цепей в одной и той же системе, может оказаться полезной для разработки новых типов интеллектуальных систем», — добавил он.

Наконец, Патон предполагает, что, возможно, одним из самых уникальных аспектов исследования является его способность получать доступ к внутреннему когнитивному опыту. «Импульсивность, искушение… Эти внутренние процессы — одни из самых увлекательных вещей, которые делает мозг, потому что они отражают нашу внутреннюю жизнь. Но их также труднее всего изучать, потому что у них не так много внешних признаков, которые мы можем Настройка этого нового метода была сложной задачей, но теперь у нас есть мощный инструмент для исследования внутренних механизмов, таких как те, которые участвуют в сопротивлении и поддаче искушению», — заключил Патон.