В исследовании крыс, перемещающихся по простому лабиринту, нейробиологи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско обнаружили, как мозг может генерировать такие воображаемые сценарии будущего. По словам исследователей, эта работа дает новую основу для понимания не только того, как мозг принимает решения, но и того, как работает воображение в более широком смысле.
«Одна из самых удивительных способностей мозга – представлять вещи, которые не находятся прямо перед ним», – сказал Лорен Франк, доктор философии, профессор физиологии и исследователь Медицинского института Говарда Хьюза в Центре интегративной неврологии UCSF, содиректор.
Института фундаментальной неврологии UCSF Kavli и член Института неврологии UCSF Weill. «Воображение имеет фундаментальное значение для принятия решений, но до сих пор нейробиология не дала хорошего объяснения того, как мозг генерирует воображаемое будущее в реальном времени, чтобы информировать различные виды повседневных решений, одновременно отслеживая реальность."
В новом исследовании, опубликованном 30 января 2020 года в Cell, команда Фрэнка заставила крыс исследовать M-образный лабиринт, одновременно записывая возбуждение нейронов в гиппокампе, называемых «клетками места», которые, как традиционно считается, отслеживают активность животных. местоположение – как нейронная система GPS. Но когда крысы приблизились к развилке лабиринта, исследователи обнаружили, что активность их пространственных клеток начала чрезвычайно быстро переключаться взад и вперед – со скоростью восемь раз в секунду – между отображением текущего положения животного и его двух альтернатив. будущие пути, как бы говоря: "Вот я – идите налево? — вот я – иди направо?"
Команда также распространила этот вывод на другой тип воображаемого сценария. Известно, что помимо местоположения, ячейки места также отслеживают направление движения животного. Команда обнаружила, что ячейки мест, представляющие противоположные направления движения, также могут очень быстро переключаться вперед и назад, как бы говоря: «Я иду в эту сторону, но я также могу развернуться и пойти в другую сторону»."
«Быстрое переключение клеток между текущим и возможным путями было безошибочным, потому что оно было настолько регулярным», – сказал Кеннет Кей, доктор философии, научный сотрудник Колумбийского университета, который руководил исследованием в качестве аспиранта в лаборатории Фрэнка. «Это было захватывающе, потому что скорость плюс постоянство – это именно то, что нужно в любом количестве реальных условий, как для животных, так и для людей."
Кей и его коллеги обнаружили, что колебания клеток места между настоящим и возможным будущим напрямую не влияют на решения крыс о том, какой путь выбрать, но они усиливаются по мере приближения крыс к точке принятия решения. Это подсказало исследователям, что роль гиппокампа в принятии решений может заключаться в создании «меню» воображаемых сценариев для других частей мозга, которые могут связать эти варианты с прошлым опытом их ценности или потенциальной опасности, а затем сделать соответствующее решение, основанное на текущих побуждениях животного – голодном или жаждущем, напуганном или смелом.
«Мы думаем, что это показывает, что гиппокамп отвечает не только за регистрацию прошлого и обработку настоящего, но и за представление будущего», – сказал Фрэнк. «Это исследование – всего лишь первый шаг, но оно открывает новые возможности для изучения того, как воображаемые сценарии генерируются и оцениваются в мозгу по мере того, как животные принимают решения."
Исследование предлагает новую концепцию гиппокампа как источника воображения
Гиппокамп, структура в форме морского конька, обнаруженная на каждой стороне мозга глубоко в височных долях, является одной из наиболее интенсивно изучаемых частей мозга.
Повреждение гиппокампа – будь то травма головного мозга или такая болезнь, как болезнь Альцгеймера – лишает людей способности формировать новые воспоминания, что побудило ученых 20 века описать гиппокамп как центр памяти мозга. В 1970-х годах ученые определили клетки места гиппокампа, которые спонтанно создают карты новой среды, когда животные исследуют их, а затем сохраняют эти карты для дальнейшего использования. Это открытие, за которое в 2014 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине, побудило ученых признать, что гиппокамп также является навигационным центром, отвечающим, скажем, за то, что позволяет животному найти свой путь обратно в то место, где оно помнит, как поедало их. вкусная ежевика прошлым летом.
В соответствии с этим предыдущая работа Фрэнка и других показала, что активность клеток места может воспроизводить недавние движения животного или даже предугадывать, куда животное может направиться следующим, но такая активность наблюдалась только периодически – обычно, когда животные отдыхали или останавливались. во время продолжающегося движения – так же активно обдумывая свой следующий ход.
Новое исследование Cell – первое, которое показывает, как клетки гиппокампа могут последовательно и систематически представлять различные гипотетические сценарии с течением времени. Исследователи говорят, что такая система могла бы позволить животным в движении принимать чрезвычайно быстрые решения в тот момент, основываясь на этих воображаемых альтернативах, а также отслеживать текущую реальность животного. Это может даже сыграть роль в способности мозга генерировать гипотетические сценарии или мысли в более широком смысле.
«Регулярное переключение между настоящим и возможным – или реальным и воображаемым – похоже на надежную систему для генерации множества идей, а не только для механического запоминания или предсказания», – сказал Кей. "Гиппокамп может лежать в основе нашей способности вообразить."
Финансирование: исследование было поддержано Медицинским институтом Говарда Хьюза, Simons Collaboration for the Global Brain (521921, 542981), Национальными институтами здравоохранения (R01 MH090188, R01 MH105174), наградой NeuroNex от Национального научного фонда (NSF) (DBI). -1707398) и Благотворительный фонд Гэтсби.