УЧЕНІ СТЕНФОРДУ ВИВЧАЮТЬ НЕЙРОННІ МЕРЕЖІ УМОВНИХ РЕФЛЕКСІВ (PAVLOVIAN CONDITIONING)

Спостерігаючи за групами нейронів в емоційному центрі мозку, дослідники тепер розуміють, як нейронні мережі в мозку утворюють асоціації, подібні до тимчасових умовних зв’язків, що були описані академіком Іваном Павловим.

Протягом десятиліть після роботи фізіолога Івана Павлова стосовно регуляції слиновиділення на його знаменитих собаках, вчені виявили, як молекули і клітини в мозку вчаться пов'язувати між собою подразники, такі як, наприклад, дзвінок (індиферентний подразник) і отриманий корм (безумовний подразник). Це те, що не вдалося вивчити школі Павлова – механізм спільної роботи різних груп нейронів для формування подібних асоціацій. Тепер дослідники Стенфордського університету спостерігали, як великі групи нейронів у мозку вивчають та навчають нові умовні зв’язки.

"Пройшло більше 100 років з того часу, як Павлов зробив свою дивовижну роботу, але ми ще не мали уявлення про те, як нейронні ансамблі кодують довготривалу пам'ять", – сказав Марк Шнітцер (Mark Schnitzer), доцент кафедри біології та прикладної фізики Стенфордського університету. – "Зараз з’явилася можливість це вивчити".

Дослідники працювали з мишами і зосереджувалися на мигдалині (corpus amygdaloideum) – частині мозку, яка, як відомо, залучена до різних процесів навчання, що надзвичайно схожі між собою. Вчені навчили мишей поєднувати тон з «м'яким» шоком. Встановлено, що, як тільки миші дізналися про асоціацію, картина нейронів, яка активувалася тільки у відповідь на тон, нагадувала картину, яка активувалася у відповідь на шок. Використовуючи собак Павлова як аналогію, це означало б, що, як тільки у собак утворився умовний слиновидільний рефлекс на дзвінок, активація нейронної мережі в їх мигдалині не буде відрізнятися не буде відрізнятися на обидва подразники окремо (на дзвінок і на корм тварини покажуть однакову реакцію).

Результати дослідників, опубліковані в Nature 22 березня, також показують, що нейрони ніколи не поверталися до свого початкового стану, навіть після того, як тренування було скасовано. Хоча це не було основним напрямком дослідження, але воно могло б мати широке значення для вивчення розладів емоційної пам'яті, таких як посттравматичний стресовий розлад - ПТСР (post-traumatic stress disorder - PTSD).

Автори повідомлення на основі роботи Павлова про умовні рефлекси навчили мишей в умовах досліду пов'язувати тон з «легким» шоком. На початку експерименту миші не показували жодної реакції на звук, але завмирали б на місці у відповідь на «легкий» шок. Після поєднання звуку і «легкого» шоку кілька разів, звук був достатнім, щоб змусити тварин завмерти на місці.

Нейрони з мигдалини в цьому зрізі мозку миші пофарбовані так, щоб дослідники могли виміряти їх активність.
(Зображення: Benjamin Grewe)

«Ви можете думати про цей тип навчання як про стратегію виживання», – сказав Бенджамін Греве, провідний автор статті та колишній докторант в лабораторії Schnitzer. – «Нам потрібно, щоб це стало корисним і для людини. Коли ми пов'язуємо певні стимули з можливими небезпечними результатами, це допомагає нам у першу чергу уникнути таких ситуацій», тобто умовний рефлекс готує організм до зустрічі з безумовним подразником.

Під час навчання дослідники безпосередньо спостерігали активність близько 200 нейронів в мигдалині. Використовуючи мініатюрний мікроскоп, розроблений раніше лабораторією Schnitzer для перегляду нейронів глибоко в мозку, вони могли спостерігати активність окремих клітин, а також всього ансамблю. Було встановлено, що, коли миші навчилися пов'язувати звук із шоком, діяльність набору клітин, які відповіли на звук, почали нагадувати активність тих нервових клітин, що відповідали на сам шок.

"Обидва подразники викликають страх відповіді", – сказав Schnitzer, який також є дослідником медичного інституту Говард Хьюз. – "Це майже так, ніби ця частина мозку розмиває лінії між ними, в тому сенсі, що вона використовує ті ж клітини для кодування".

Кількість змін у тому, як група нейронів реагувала на тон, також передбачала, наскільки зміниться поведінка миші. Тварини, чиї мигдалини активувалися аналогічно у відповідь на звук і на удар, завмирали найбільш послідовно у відповідь на сам звук через 24 години.

«Ми вперше зуміли записати активність великої мережі нейронів в мигдалині і зробили це з роздільною здатністю однієї клітини», – сказав Греве, – "Таким чином, ми знали, що робила кожна клітина".

Як частина експериментів, також вивчали гальмування рефлексу, щоб миші припинили завмирати внаслідок реакції на звук. Під час цієї фази досліджень відповідь ніколи не поверталася повністю до початкового стану.

Експеримент щодо зворотної асоціації не мав на меті розробити способи корекції будь-яких захворювань або розладів людини, але отримані висновки потенційно можеуть сприяти дослідженню проблем з емоційною пам'яттю, таким як генералізований тривожний розлад або ПТСР, де люди можуть мати труднощі з дисоціацією нейтральних стимулів від негативних. Таке застосування, однак, можливе у майбутньому.

"Ми тільки починаємо цю роботу", – сказав Шнітцер, – «Але ці висновки відкривають нам вікно у зовнішній світ».
Статтю можна прочитати у журналі Nature.

За матеріалами Стенфордського університету.

P. S. У цілому світі швидкими темпами зростає інтерес до вивчення павловського вчення про вищу нервову діяльність і її механізми. Так, у 2019 році лише за даними Google Scholar з питань вивчення ВНД (Pavlovian conditioning) було опубліковано приблизно 3730 наукових повідомлень, в основному англійською мовою.

Переклад і редакція В. Трокоз