Нейроны предсказания у рыбок данио помогают избегать опасности

Ученые из Центра наук о мозге RIKEN (CBS) и их коллеги из Японии обнаружили в мозге рыбок данио особые нейроны, которые отслеживают, сбываются ли сделанные рыбами предсказания. Используя новый аквариум с системой виртуальной реальности, где можно проводить визуализацию мозга рыбок во время их обучения и навигации по виртуальным сигналам, исследователи нашли нейроны, которые обеспечивают эффективное избегание риска и создают в мозге «карту опасности», позволяющую спастись. Исследование опубликовано в Nature Communications 29 сентября.

Предсказание будущего — неотъемлемая часть принятия решений как для рыб, так и для людей. Когда реальная ситуация не соответствует ожиданиям, мозг генерирует «ошибки предсказания», которые сигнализируют о неверности прогноза. Ожидания формируются внутренними моделями окружающей среды, и, как показало новое исследование, у рыб, как и у людей, такие модели есть в мозге. Ученые в реальном времени отслеживали активность мозга, связанную с ошибкой предсказания, пока рыбки данио учились избегать опасности в своем аквариуме. Они обнаружили, что рыбы стараются минимизировать ошибку предсказания, чтобы эффективно избегать угроз. Поскольку избегание риска — это эволюционно консервативное поведение, результаты проливают свет на важные нейронные цепи, общие для всех позвоночных, включая человека.

Рыбки данио маленькие и прозрачные, что позволяет легко регистрировать активность всего мозга. В эксперименте рыбы видели выбор между красной или синей зонами виртуальной реальности во время «виртуального плавания» и учились ассоциировать цвета зон с опасностью или безопасностью. Исследователей особенно интересовала передняя часть мозга — теленцефалон, который соответствует коре больших полушарий и другим структурам у млекопитающих и участвует в принятии решений. По мере того как рыбки учились избегать опасности в виртуальной реальности, фиксировались изменения их мозговой активности во времени, что привело к открытию нейронов, представляющих ошибку предсказания.

По мере обучения рыбок тому, что виртуальный путь через синее окружение ведет к опасности, а через красное — к безопасности, сформировались отдельные активные популяции нейронов. Последующая экспериментальная смена ассоциаций (красный стал опасным вместо синего) привела к инактивации этих нейронов. Это указало исследователям, что нейроны, вероятно, кодируют поведенческое правило, а не просто воспринимаемый цвет. В другом изменении виртуального пространства пейзаж был изменен так, что он не менялся в зависимости от движений хвоста рыбы (например, попытка плыть вперед не отдаляла вид, как ожидалось). Эти манипуляции выявили группу нейронов, которая активировалась только тогда, когда действия, которые, по мнению рыбы, должны были привести ее к безопасности, не давали ожидаемого результата.

«Мы считаем, что эта популяция нейронов кодирует ошибку предсказания в мозге, сравнивая реальный вид окружения с предсказанным видом, который, как они усвоили, приведет их к безопасности при определенном поведении», — говорит ведущий автор Макио Торигоэ.

«Каждое животное должно делать прогнозы на будущее, основываясь на предыдущем опыте, — добавляет руководитель исследовательской группы Хитоси Окамото. — Теперь мы знаем, как эти предсказания сравниваются с тем, что животные действительно встречают в мире, и какие части мозга данио управляют последующим принятием решений».