Обнаружена расширенная роль центра сенсорной обработки мозга
Когда вы начинаете учиться делать что-то новое, например, махать теннисной ракеткой или играть на музыкальном инструменте, самые простые задачи могут показаться сложными. Переход от одного аккорда к другому на гитаре поначалу может потребовать много мыслей и концентрации.
Ваш мозг обрабатывает новые ощущения из внешнего мира - как инструмент ощущается, звучит, выглядит - и на основе этих сенсорных сигналов принимает решения о том, что должны делать ваши мышцы дальше. Но практика делает совершенным, верно? По мере накопления опыта вы слышите тонкости музыки и чувствуете струны с меньшим усилием; ваши пальцы начинают двигаться по ладам с легкостью и, кажется, без сознательного размышления.
"Мы становимся лучше в чем-то, опытнее, и это становится скорее рефлексом, чем чем-то, о чем мы думаем", - говорит нейроинженер Гарретт Стэнли, который занимается музыкой, но больше интересуется нейронными процессами, лежащими в основе этого адаптивного поведения, будь то легкая игра на гитаре, или одевание, или избегание опасности, или любое полезное поведение, выученное на опыте.
"Адаптивное поведение в постоянно меняющейся сенсорной среде полезно не только при освоении нового хобби", - добавил Стэнли, профессор и заслуженный председатель Фонда МакКамиша на кафедре биомедицинской инженерии имени Уоллеса Х. Коултера в Технологическом институте Джорджии и Университете Эмори. "Это очень важно для выживания".
Исходя из этого, лаборатория Стэнли тщательно изучила нейронную сигнализацию, которая коррелирует с адаптивным поведением у мышей, и то, что они обнаружили, может стать первым шагом к новым стратегиям улучшения и ускорения обучения. Исследование, опубликованное 27 января в журнале Nature Communications, предполагает, что область мозга, которая традиционно считалась основным центром сенсорной сигнализации - первичная соматосенсорная кора - играет более глубокую роль в принятии решений и является частью адаптивной структуры мозга, которая способствует гибкому поведению по мере накопления опыта.
Кристиан Вайблингер, постдокторский исследователь и ведущий автор исследования, описал первичную соматосенсорную кору, или S1, как "раннюю" область мозга, куда поступают тактильные стимулы из внешнего мира.
"Считается, что именно S1 обеспечивает базовую предварительную обработку стимулов", - сказал Вайблингер. "Она традиционно не ассоциируется с более сложными нейронными процессами, связанными с долгосрочными адаптивными стратегиями".
Но ученые уже давно предполагали, что эта ранняя область может играть ключевую роль в функциях более высокого уровня, и что она является частью более крупной структуры, охватывающей различные структуры мозга. Эта идея оставалась в основном концептуальной и теоретической, а экспериментальных доказательств, подтверждающих ее, было мало. Теперь лаборатория Стэнли располагает некоторыми доказательствами.
Для измерения активности мозга у высокообученных мышей, которые учатся выполнять задачи в ответ на изменение стимулов, команда использовала генетически закодированную визуализацию напряжения in vivo. Это позволяет исследователям неинвазивно регистрировать сигналы мозга, отслеживая чувствительные к напряжению флуоресцентные белки в мозге.
Исследователи разработали серию психофизических экспериментов для оценки мышей, изучая, как животные действуют в изменяющейся среде - реагируют на стимулы усом, получают вознаграждение, адаптируются к изменяющимся стимулам. Кроме того, они измеряли соответствующие сигналы нейронов животных.
"Мы обнаружили, что область мозга [S1] действительно меняет свою активность с течением времени", - сказал Вайблингер. "Мы просто продолжали записывать, тренировать и записывать, и в течение недель и месяцев мы наблюдали у мышей эффект, зависящий от опыта. Чем более опытным становилось животное в отношении меняющегося сенсорного ландшафта, тем больше изменялась и адаптировалась эта область мозга".
S1 не только обрабатывал тактильные стимулы и производил первичные сигналы нейронов, связанные с этой основной задачей, но и передавал более сложные сигналы, необходимые для адаптивного поведения в динамично меняющейся среде.
"Эта область является первой частью коры головного мозга, которая принимает эти сигналы, так что все как будто направляется туда", - сказал Стэнли. "Это только вершина айсберга - дальше в коре головного мозга происходит то, что должно происходить на более высоком уровне, когнитивные процессы, требующие принятия решений".
Как и в случае с первичной соматосенсорной корой, данное исследование также является лишь верхушкой айсберга. Но оно дало команде новую гипотезу, сказал Вайблингер: "Когда вы становитесь более опытным в каком-то деле, эти функции более высокого уровня могут возникать немного раньше - они смещаются вниз в иерархии мозга".
Далее, сказал Стэнли, следует продолжить исследование других областей мозга. Он хотел бы понять поток информации, который зарождается вне нашего тела и перемещается по иерархии мозга по мере накопления опыта.
"Если мы сможем задействовать этот поток и каким-то образом манипулировать им, мы сможем улучшить процесс обучения", - сказал он. "Если мы сможем понять этот феномен, мы сможем повлиять на то, как люди учатся, и сделать это быстрее и лучше".
