Даже во время таких рутинных задач, как ежедневная прогулка, нашему мозгу иногда нужно переключать передачи, переключаясь с навигации по городу на отпрыгивание от велосипеда или на переход улицы, чтобы поприветствовать друга. Эти переключатели ставят перед нами задачу: как схемы мозга справляются с такими динамичными и резкими изменениями в поведении? Исследование летучих мышей Института науки Вейцмана, опубликованное сегодня в журнале Nature , предлагает ответ, который не соответствует классическому представлению о функциях мозга.
«Большинство проектов по исследованию мозга фокусируются на одном типе поведения за раз, поэтому мало что известно о том, как мозг справляется с динамически меняющимися поведенческими потребностями», — говорит профессор Нахум Улановский из отдела наук о мозге Вейцмана. В новом исследовании он и его команда разработали экспериментальную установку, имитирующую реальные жизненные ситуации, в которых животные или люди быстро переключаются с одного поведения на другое — например, с навигации на избегание хищника или автомобильную аварию. Аспиранты доктор Айелет Сарел, Шакед Палги и Дэн Блум руководили исследованием в сотрудничестве с научным сотрудником доктором Джонатаном Альджадеффом. Исследование проводилось под руководством Улановского вместе с научным сотрудником доктором Лиорой Лас.
Используя миниатюрные беспроводные записывающие устройства, исследователи наблюдали за нейронами в мозгу пар летучих мышей , которые должны были избегать столкновений друг с другом, летя навстречу друг другу по 135-метровому туннелю с высокой скоростью 7 метров в секунду. Это равнялось относительной скорости — то есть скорости, с которой сокращалось расстояние между летучими мышами, или сумме скоростей обеих летучих мышей — 14 метров в секунду, или около 50 километров в час.
Чтобы проверить, изменились ли в этих ситуациях летучие мыши свой поведенческий режим, став более внимательными, исследователи воспользовались уникальной способностью летучих мышей ощущать окружающую среду с помощью сонара или эхолокации. Действительно, заметив другое животное, быстро летящее к ним, летучие мыши быстро увеличили частоту эхолокационных щелчков, что свидетельствует о повышенном уровне внимания. По мере того, как их внимание увеличивалось, в нейронных цепях гиппокампа летучих мышей, основной области мозга, отвечающей, среди прочего, за навигацию, происходил быстрый сдвиг . Ученые обнаружили этот сдвиг, записав электрические сигналы от отдельных нейронов в этой области, известной как клетки места.
Когда летучие мыши летали в одиночку, их клетки места кодировали их местонахождение в пространстве, но как только животные замечали другую, быстро приближающуюся летучую мышь, более половины нейронов в гиппокампе — около 55 процентов — переключали режимы. Ученые могли сказать, что нейронный переключатель произошел, потому что схема возбуждения нейронов изменилась, указывая на то, что теперь они кодируют не только собственное абсолютное местоположение летучей мыши, но и относительную меру: расстояние до другой летучей мыши. Чем выше внимание животного, тем более выражен нервный переключатель. К удивлению ученых, это переключение произошло чрезвычайно быстро, в течение каких-то 100 миллисекунд, или одной десятой секунды. Независимо от того, была ли быстро приближающаяся летучая мышь постоянным, знакомым партнером или просто «знакомым», это не влияло на нейронное кодирование.
«Наше исследование предполагает, что нам, возможно, придется пересмотреть некоторые основные предположения о цепях мозга», — говорит Улановский. Он объясняет, что в прошлом столетии преобладало мнение, что каждая область мозга выполняет свою собственную функцию, и что в разных частях мозга закодировано различное поведение. Согласно этому классическому представлению, можно ожидать, что когда в поведении происходит переключение, например, с навигации на избегание столкновений, разные области мозга «загораются» одна за другой. Новое исследование показывает совершенно другую картину: удивительно быстрое переключение нейронного кодирования не только в одной и той же области мозга, но и в одних и тех же нейронах.
Говорит Улановский: «Разумеется, разделение труда между разными областями мозга сохраняется. Если , например, повреждена зрительная кора , результатом является нарушение зрения, а не глухота или потеря обоняния. исследования, что мозг гораздо более динамичен, чем считалось ранее.В отличие от большинства моделей мозга, которые предполагают, что нейроны имеют стабильную функцию, мы обнаружили, что в ответ на быстрое переключение поведенческих потребностей нейроны могут очень быстро переключаться на выполняя совершенно новую функцию».
Уже было показано, что некоторые части мозга менее жестко детерминированы, чем мышление — явление, известное как пластичность, — но это происходит в более медленных временных масштабах, отражая более долгосрочные биохимические изменения в синапсах мозга, связях между нейронами. Напротив, недавно обнаруженный переключатель работает намного быстрее, вероятно, отражая быструю реорганизацию активности нейронной сети.
Будущие исследования могут искать переключатели между различными режимами нейронного кодирования в различных областях мозга, а не только в гиппокампе, а также в самых разных формах поведения и ситуациях. Эти исследования могут также поставить вопрос о том, насколько распространено это переключение и замедляется ли оно в стареющем мозге.
Еще одно интересное направление исследований, поднятое новым исследованием, — изучение того, как мозг не дает нашей реальности казаться фрагментированной. «Теперь, когда мы знаем, что нейроны могут изменить то, что они делают, за одну десятую секунды, было бы интересно узнать, почему мы все еще воспринимаем мир как гладкий и стабильный», — говорит Улановский.
