Нейробиологи впервые зафиксировали процесс обучения мозга под микроскопом

Ученые из Калифорнийского университета в Сан-Диего раскрыли, как мозг кодирует новую информацию — будь то рабочие задачи, тексты песен или маршрут к дому друга. Исследование, опубликованное в журнале Science, показало, что нейроны используют не единый набор правил для обучения, а множество — в зависимости от области мозга. .

Мозг адаптируется к новой информации через изменения в синапсах — связях между нейронами, которых в мозге триллионы. Эти изменения, известные как синаптическая пластичность, позволяют одним синапсам усиливаться, а другим — ослабевать, фиксируя новые знания. Однако до сих пор было неясно, как мозг решает, какие синапсы изменять — загадка, связанная с так называемой «проблемой присвоения кредита». Она сравнима с муравьями, выполняющими локальные задачи без понимания целей колонии.

Нейробиологи Уильям «Джейк» Райт, Натан Хедрик и Такаки Комияма использовали двухфотонную визуализацию, чтобы наблюдать за синапсами мышей во время обучения. Они обнаружили, что нейроны не следуют единому правилу пластичности, как считалось ранее. Вместо этого разные синапсы в различных участках мозга подчиняются разным правилам, а отдельные нейроны могут одновременно применять несколько стратегий.

«Когда люди говорят о синаптической пластичности, её обычно считают однородной в пределах мозга, — говорит Райт, первый автор исследования. — Наше исследование даёт более чёткое понимание того, как синапсы изменяются во время обучения».

Как проводили эксперимент?

Используя передовые методы визуализации, ученые отслеживали активность синапсов на дендритах нейронов мышей, пока те осваивали новое поведение. Технология позволила увидеть, как синапсы изменяются в реальном времени, выявляя разнообразие правил пластичности. Новые данные о том, что нейроны следуют нескольким правилам одновременно, застало исследователей врасплох. 

«Это открытие в корне меняет наше понимание того, как мозг решает задачу присвоения кредитов, — объясняет Такаки Комияма, старший автор исследования. — Оно основывается на концепции, согласно которой отдельные нейроны выполняют отдельные вычисления параллельно в разных субклеточных отсеках».

Открытие, что нейроны используют множество правил, решает давнюю загадку о том, как мозг распределяет «кредит» за обучение. Это объясняет, как локальные изменения в синапсах формируют глобальные модели поведения. Результаты могут повлиять на несколько областей:

• понимание синаптической дисфункции поможет в лечении болезней, таких как аутизм, болезнь Альцгеймера, посттравматическое стрессовое расстройство и зависимость.

• нейронные сети, использующие разные правила для отдельных единиц, могут стать более эффективными и похожими на мозг.

Новое исследование переворачивает представление о том, как мы учимся, показывая, что наш мозг — это не единая система, а сеть, где каждый нейрон играет по своим правилам. Это шаг к разгадке тайн сознания и созданию технологий, имитирующих человеческий разум.