Коллектив ученых из США провел ряд экспериментов с макаками резус, чтобы доказать, казалось бы, очевидный факт – если знать о награде заранее, то нейронные связи для выполнения задания сформируются быстрее. Исследование, опубликованное в журнале Frontiers in Neuroscience и вошедшее в исследовательский топик Augmentation of Brain Function: Facts, Fiction and Controversy, дает важные сведения для успешного нейропротезирования.
Записанные нейроны
Когда речь заходит о системе вознаграждения, то почти всегдаупоминается небольшое образование в глубине головного мозга – стриатум или полосатое тело. На нашем портале вы можете познакомиться с ним подробнее в материале рубрики «Детали».
Неостриатум, или дорсальная часть стриатума, состоит из скорлупы, хвостатого и чечевицеобразного ядер. Он формирует связь между подкреплением и поведением, иначе говоря, создает в мозге состояние ожидания перед появлением вознаграждения за выполнение изученной команды. В данном исследовании ученые прицельно изучили скорость формирования новых связей между нейронами неостриатума в двух альтернативных случаях: когда животные знали о вознаграждении за выполнение команды и когда не знали.
Опыт состоял в следующем. Две макаки-резус обучились поднимать или опускать металлическую пластину кистью после светового или вибрационного сигнала. Сигнал о характере этого сигнала подавался зеленой лампой (lamp shift). Если она горела, то обезьяна начинала двигать пластину после того, как почувствует ее вибрацию. Если зеленая лампа не горела, то обезьяна начинала двигать пластину после того, как загорится пятый от центра светодиод на шкале положения пластины (position display).
Парадигма эксперимента
Направление движения пластины после старта задавалось красной лампой (direction): если она горела, то макака поднимала педаль, если не горела – то опускала. При этом шкала положения пластины по принципу обратной биологической связи указывала животному на ее угол и направление движения. При безошибочном действии животные получали в награду сок. Во время эксперимента в их головном мозге с помощью погруженных в неостриатум электродов регистрировалась нейронная активность перед началом движения кистью (pre-movement activity, или PMA).
Тканевые срезы (гистологическое исследование) базальных ганглиев показали, что неостриатальная PMA тесно связана с кинематикой движения (положением, скоростью, ускорением).
Наилучшая взаимосвязь (корреляция) между нейрональной активностью и кинематическими переменными движения была: (a) более высокой во время испытаний, в которых были определены награды, по сравнению с теми испытаниями, когда вознаграждение было неопределенным, (b) больше во время испытаний на сгибание (Flex) по сравнению с испытаниями на растяжение (Ext) и (c) больше после визуального сигнала о старте, чем во время вибрационного.
Эти результаты согласуются с гипотезой о том, что предсказуемость вознаграждения за правильную работу сопровождается формированием более быстрой новой связи в неостриатальной PMA. Таким образом, наиболее быстрый результат по формированию новой связи и высокой скорости выполнения команды макака показывает во время сгибания кисти после загорания пятого от центра желтого светодиода, получив заранее ожидаемую награду в виде фруктового сока.
Эти наблюдения согласуются с теоретическим предположением о том, что дофаминергическая система черной субстанции, вентрального стриатума и префронтальной коры сильно влияет на неостриатальную активность (РМА) во время определенных или неопределенных поведенческих ситуаций. Кроме того, результаты дают ценную информацию для построения нейропротеза верхних конечностей.
Текст: Марина Калинкина
Neostriatal Neuronal Activity Correlates Better with Movement Kinematics under Certain Rewards by Ioan Opris, Mikhail A. Lebedev and Randall J. Nelson in Front. Neurosci. Published 05 August 2016
https://doi.org/10.3389/fnins.2016.00336