Исследование на грызунах выявило различные сигнальные коды для приобретенных навыков и подсказки о двигательных расстройствах человека.
Среди множества чудес мозга — его способность осваивать заученные движения — танцевальные па, фортепианную сонату или завязывание шнурков — приобретаемые методом проб и ошибок. Десятилетиями нейробиологи знали, что для выполнения этих задач требуется группа участков мозга, известных как базальные ганглии.
Согласно новому исследованию, проведённому учёными Гарвардского университета в журнале Nature Neuroscience , эта так называемая «машина обучения» использует два разных кода: один для недавно усвоенных движений, а другой для врождённых «естественных» моделей поведения. Эти неожиданные результаты, полученные на лабораторных крысах, могут пролить свет на двигательные расстройства человека, такие как болезнь Паркинсона.
«Когда мы сравнили коды в этих двух поведенческих областях, мы обнаружили, что они очень разные», — сказал Бенце Ольвецки, профессор организменной и эволюционной биологии (OEB).
«Они не имели никакого отношения друг к другу. Оба точно воспроизводили движения животного, но язык был совершенно разным».
Базальные ганглии, расположенные в среднем мозге под корой головного мозга , участвуют в процессах вознаграждения, эмоций и двигательной регуляции . Эта область также является местом развития некоторых из самых известных двигательных расстройств: болезни Паркинсона, болезни Хантингтона и синдрома Туретта, которые возникают из-за различных дефектов базальных ганглиев.
Хотя давно известно, что базальные ганглии играют центральную роль в управлении движениями у млекопитающих, остаётся неясным, управляет ли эта часть мозга всеми движениями или только теми, которые выполняют специализированные задачи. Некоторые исследователи полагают, что она служит центром обучения движениям, приобретаемым в процессе практики, но не другим привычным действиям. Другие учёные утверждают, что она играет роль во всех движениях.
Чтобы пролить свет на эту тайну, исследователи тщательно изучили одну конкретную часть базальных ганглиев у крыс — дорсолатеральное полосатое тело (ДЛС), которое играет роль в приобретенном поведении.
Команда наблюдала за крысами во время двух разных видов деятельности: свободного исследования и задания, в котором их обучали дважды нажимать на рычаг в течение определённого промежутка времени, чтобы получить награду. Для отслеживания их перемещений команда использовала систему из шести камер, установленных по периметру вольера, и программное обеспечение, классифицирующее поведение.
В более ранних исследованиях группа исследователей удаляла ДЛС у крыс, и впоследствии у них не наблюдалось никаких изменений в способности к свободному исследованию, что демонстрировало, что ДЛС не играет никакой роли в естественном поведении, таком как ходьба или уход за собой. Однако те же животные испытывали серьёзные нарушения при выполнении усвоенных заданий, что свидетельствует о том, что ДЛС была необходима для вновь приобретённых навыков.
«Произошла колоссальная перемена, как день и ночь», — сказал Киа Хардкасл, постдокторант лаборатории Ольвецки и ведущий автор нового исследования, о предыдущей работе. «Животное могло отлично справляться с задачей, повторяя стереотипное движение, например, 30 000 раз. А потом повреждается ДЛС, и оно больше никогда не сможет это движение повторить».
В новом исследовании ученые стремились понять нейронную активность во время такого поведения, имплантировав крошечные электроды в мозг крыс и записав электрическую активность нейронов во время свободного исследования и выполнения изученных задач.
К своему удивлению они обнаружили, что базальные ганглии используют два различных «кинематических кода» — или модели нейронной электрической активности — во время выученных задач и естественных движений.
«Как будто базальные ганглии „говорят“ на разных языках, когда животное выполняет выученные и врождённые движения», — сказал Ольвецки. «Области мозга, расположенные ниже и контролирующие движение, знают только один из этих языков — тот, на котором говорят во время выученных действий».
В статье исследователи пришли к выводу, что базальные ганглии переключаются между «функцией основного действующего лица и ролью простого наблюдателя». Хардкасл предположил, что базальные ганглии, возможно, не способны полностью отключить электрическую сигнализацию, когда не управляют поведением, поэтому они переключаются на безвредный «нулевой код».
Ольвецки отметил, что результаты исследования могут быть весьма информативны для изучения человека, поскольку считается, что структуры, расположенные ниже коры головного мозга, в значительной степени сохранились в процессе эволюции. Он считает, что исследование демонстрирует, что базальные ганглии играют важную роль в освоении движений, но не обязательно в управлении ими в повседневной жизни. Он также считает, что эти результаты дают представление о причинах некоторых двигательных расстройств у человека.
«Наше исследование показывает, что патологию, связанную с болезнью Паркинсона, можно понять, когда пораженные базальные ганглии издают бессмысленные звуки, но очень громко и убедительно», — сказал Ольвецки.
«Таким образом, он бессмысленным образом вмешивается в поведение, которое в противном случае не смог бы контролировать».