Мыши-эксперты не тратят много времени на принятие решения, потому что им не мешает «шум» от других мозговых процессов.
Возбуждающие (зеленые) и тормозные (красные) нейроны на микрофотографиях мышиного мозга / © Churchland Lab, Cold Spring Harbor Laboratory, 2019
Группа исследователей из Лаборатории Колд-Спринг-Харбор (CSHL), Колумбийского университета, Университетского колледжа Лондона и Института Флатирон выяснили, как меняется мозг по мере обучения какому-то навыку. Авторы статьи, опубликованной в Neuron Cell Press, проводили испытания на мышах и создали нейросеть, имитирующую обучающийся мозг.
Когда наш мозг изучает некий навык, будь то определенный тип физической активности, или способ решения каких-то интеллектуальных задач, образуются связи между группами нейронов. Постепенно, по мере того как мы все увереннее закрепляем навык, связи становятся крепче. Нейробиологическая основа таких процессов — давний предмет интересов ученых.
В этой работе авторы обучали мышей, которым подавали световые и звуковые стимулы, правильно определять их и облизывать одну из трех трубочек. Если животное выбирало верно, оно получало вознаграждение. Одновременно ученые снимали активность нейронов их мозга, регистрируя ее с помощью двухфотонного микроскопа. Это устройство помогает видеть процессы, происходящие глубоко в живой ткани, с помощью слежения за радиометками.
Команда обнаружила, что нейроны стали более избирательно реагировать на действия, связанные с задачей, на которую тренировали мышей. Увеличивалась их активность, и чем обученнее и «экспертнее» было животное, тем быстрее нейроны работали и резче включались.
Новизна подхода, как говорят сами исследователи, заключается в том, что регистрировались изменения, происходившие на протяжении процесса обучения. В более ранних же работах изучалось статичное состояние уже обученного мозга. «Мы регистрировали активность сотен нейронов одновременно и изучали, что именно нейроны делали в процессе обучения, — объясняет доцент CSHL Энн Черчлэнд. — Никто на самом деле не знал, как животные или люди изучают структуру задачи и как нейронная активность поддерживает это».
Оказалось, в процессе обучения изменения на нейрональном уровне происходят в течение примерно четырех недель. В начале обучения животное делает выбор, после чего активируется связка нейронов. Чем более оно обучено, тем раньше активируются нейроны: в конце концов они начинают активироваться раньше, чем животное садится выбирать нужную трубочку. То есть оно сразу знает, как надо выбирать. Мозг эксперта так натренирован, что нейросеть, отвечающая за нужную задачу, работает сильнее, чем те, которые ответственны за другие активности. Это помогает легко увидеть ее сигналы среди следов всех остальных мозговых процессов.
Благодаря этим особенностям ученые смогли расшифровать нейронные сигналы мышей и создать на их основе небольшую искусственную нейросеть. Она может угадывать, какое решение примет животное, на основании выборки его нейроактивности с нескольких итераций решения задачи. Чем экспертнее мышь, тем она точнее принимает решение и меньше отвлекается — и тем точнее предсказательная способность искусственной нейросети.
Исследование также позволяет по-новому взглянуть на роль возбуждения и торможения в нейронах, которые происходят в процессе познания. Биофизические модели помогут понять, как эти синапсы работают в мозговых подсетях при принятии решения.
Ранее ученые из Университетского колледжа Лондона выяснили, что в развитии детского мозга важную роль может играть икота. Их коллеги из Австралии, Канады, Венгрии и Франции нашли в головном мозге рецептор, отвечающий за регуляцию плохого настроения.
