На этой карте показаны десятки тысяч клеток мозга, проанализированных на разных этапах принятия решений. (Изображение предоставлено Дэном Бирманом, Международная лаборатория мозга)
В ходе двух новаторских исследований учёные составили первую в истории карту активности мозга млекопитающих, которая изменила представления учёных о том, как принимаются решения.
Проект, в котором участвовали 12 лабораторий и были использованы данные более чем 600 000 отдельных клеток мозга мышей, охватил области, составляющие более 95 % мозга. Результаты исследования, опубликованные в двух статьях в журнале Nature, свидетельствуют о том, что в процессе принятия решений задействовано гораздо больше участков мозга, чем считалось ранее.
Гигантский проект возглавляла Международная лаборатория мозга (International Brain Laboratory, IBL), объединившая экспериментальных и теоретических нейробиологов из Европы и США. Этих учёных объединяло знакомое, мучительное чувство.
«У нас были проблемы с тем, как проводилась научная работа», — сказал Маттео Карандини, нейробиолог из Университетского колледжа Лондона и один из ключевых членов IBL.
В ходе предыдущих исследований мозга многие отдельные лаборатории пытались найти ответы на важные вопросы об этом органе, например, изучали, как активность мозга связана с поведением. Однако каждая лаборатория изучала этот вопрос на мозге разных мышей и проводила с каждой группой грызунов немного отличающиеся поведенческие тесты. Если добавить к этому неопределённость в том, как каждая исследовательская группа определяла отдельные области мозга, то эти несоответствия ещё больше запутывают результаты.
«Мы бы не знали, согласны мы на самом деле или нет, потому что многое изменилось», — сказал Карандини в интервью Live Science.
Поэтому IBL объединилась, чтобы разработать единый, надёжный, стандартизированный эксперимент такого масштаба, который ни одна лаборатория не смогла бы провести в одиночку. Затем они дополнили этот мегатест высокоточными инструментами для измерения мозга и заранее подготовленными методами анализа, чтобы сделать результаты максимально воспроизводимыми. Целью эксперимента было преодоление серьёзного препятствия в этой области.
«Одна из самых давних проблем в нейробиологии — понять, как различия в нейронных системах — как структурных, так и функциональных — влияют на различия в поведении», — Федерико Туркхаймер, нейробиолог из Королевского колледжа Лондона, не принимавший участия в исследовании, заявил в интервью Британскому научному медиацентру.
В этом проекте в общей сложности приняли участие 139 мышей из 12 лабораторий по всему миру, которым вживили устройства для записи активности мозга под названием Neuropixels. Эти устройства могут одновременно записывать активность до 1000 отдельных нейронов. Исследователи тестировали мышей с помощью простого поведенческого задания, которое можно было надёжно воспроизвести в каждой из дюжины лабораторий: мышей помещали перед экраном, и справа или слева от них мигал маркер с чёрно-белыми полосами. Если мыши двигали маленькое колёсико в том же направлении, что и вспышка, они получали награду.
Основываясь на том, что вы прочитали в учебнике по нейробиологии, — сказал Карандини, — вы бы ожидали, что активность мозга во время эксперимента будет линейной. Сначала активируются клетки зрительной коры, которые распознают изображения, а затем нейроны в другой части мозга, например в префронтальной коре, которая, как известно, участвует в принятии абстрактных решений. Затем эта информация может быть объединена с данными о предшествующем опыте мыши — другими словами, с воспоминаниями — и отправлена в двигательные области мозга, которые контролируют мышечные реакции.
Исследования включали данные о более чем 600 000 клеток мозга 139 мышей. (Изображение предоставлено Дэном Бирманом, Международная лаборатория мозга)
Результаты исследования подтвердили некоторые из этих предположений. Например, зрительная кора активировалась в первую очередь. Однако другие результаты не соответствовали ожиданиям команды.
«Мы обнаружили сигналы, связанные с принятием решений и предшествующей информацией, в гораздо большем количестве областей мозга, чем мы могли предположить», — сказал Карандини. В совокупности активность почти во всех изученных областях мозга может быть использована для определения того, получила ли мышь вознаграждение.
В некоторых экспериментальных испытаниях исследователи делали маркер на экране очень тусклым, так что мышам приходилось угадывать, в какую сторону крутить колесо. Во второй статье Nature основное внимание уделялось тому, как мыши использовали свои ожидания, основанные на том, где находился маркер в предыдущих тестах, чтобы сделать предположение. Активность мозга, которая возникала, когда мыши делали предположения в этих задачах, была гораздо более распространённой, чем ожидала команда.
IBL смоделировала свой подход к изучению мозга на основе аналогичных инициатив, таких как эксперименты в области физики элементарных частиц, проводимые в ЦЕРНе, или работа проекта «Геном человека» по изучению нашей ДНК. Чтобы описать влияние проекта, Карандини обращается к ещё одной области — астрономии.
Он отметил, что самые первые астрономы могли смотреть на ночное небо и видеть каждую звезду, но очень плохо различали детали. С появлением телескопа стало возможным изучать отдельные небесные тела. По его словам, предыдущие исследования в области нейробиологии были «похожи на то, как если бы кто-то направил телескоп только на одну галактику, а затем разные астрономы направили свои телескопы на разные галактики и сказали: „Моя галактика делает вот это!“ или „Нет, моя галактика делает вот это!“». Новый проект, объяснил он, позволяет увидеть все особенности ночного неба одновременно и вблизи.
Такая работа стала возможной только благодаря последним технологическим достижениям и улучшению взаимодействия между лабораториями, но Карандини надеется, что теперь этот метод можно будет использовать для решения других важных вопросов, связанных с мозгом. Результаты исследования носят корреляционный характер, поэтому на данный момент невозможно сказать, является ли наблюдаемая мозговая активность непосредственной причиной принятия решения или же она лишь связана с этим процессом.
«Я думаю, что следующим шагом будет добавление в исследование причинно-следственных связей», — сказал он.