Рыбы в виртуальной реальности раскрывают механизмы нейромодуляции
Исследователи из Janelia расшифровывают, как нейроны выполняют вычисления, точно калиброванные под движение животного и окружающую среду, чтобы точно регулировать высвобождение нейромодуляторов — химических веществ, которые тонко настраивают активность мозга и позволяют адаптироваться к новым ситуациям.
Новые результаты могут помочь лучше понять, как мозг обеспечивает гибкое поведение, и дать представление о расстройствах настроения, таких как депрессия.
В отличие от нейротрансмиттеров, обеспечивающих быструю связь между нейронами, нейромодуляторы регулируют группы нейронов на более медленных временных масштабах. Эти химические вещества корректируют реакцию мозга на сигналы и помогают формировать наше поведение, настроение и мышление.
У личинок рыбок данио нейромодулятор серотонин контролирует, насколько интенсивно рыба плывет, когда изменения в окружающей среде или ее собственном теле изменяют эффективность ее усилий. Предыдущие исследования лаборатории Аренса в Janelia показали, что серотонинергические нейроны в области мозга, называемой дорсальным ядром шва, используют визуальные подсказки для оценки эффективности плавания рыбы, чтобы определить, сколько усилий ей следует приложить в будущем, высвобождая серотонин для корректировки интенсивности плавания.
В новом исследовании, опубликованном в Neuron, команда под руководством лаборатории Аренса стремилась понять, как эти нейроны определяют, когда и сколько серотонина выделять. В то время как многие исследования сосредоточены на том, как нейромодуляторы влияют на нейронные цепи, меньше известно о том, как сама нейромодуляторная система обрабатывает информацию.
Пока рыба плавала в виртуальной реальности, исследователи отслеживали активность в ядре шва с помощью датчиков напряжения и инструментов визуализации нейротрансмиттеров, разработанных в Janelia.
Данио плавают прерывисто — чередуя активное плавание и скольжение по инерции. Ученые обнаружили, что серотонинергические нейроны в ядре шва интегрируют информацию о воспринимаемом движении только сразу после периода активного плавания. Аренс и его команда определили, что «ворота» позволяют визуальной информации проникать в ядро шва: они закрыты, если рыба не плыла, и открываются сразу после того, как она поплыла.
Этот процесс позволяет клеткам в ядре шва использовать визуальную информацию, связанную с усилием плавания рыбы, для корректировки ее действий, отфильтровывая нерелевантные визуальные сигналы. В целом, такого рода «распределение заслуг» — правильное связывание действий с результатами — лежит в основе того, как система учится на опыте, и является активной областью исследований в нейробиологии и машинном обучении.
Далее команда изучила, как работает это «затворное» управление. Неожиданно они обнаружили, что плавание изначально подавляет активность серотонинергических нейронов в ядре шва. Однако, как только рыба прекращает плавать и переходит в фазу скольжения, подавление снимается.
Это вызывает эффект отскока, увеличивая нейронную активность — подобно тому, как если надавить на воздушный шар на столе, а затем отпустить, заставив его подпрыгнуть вверх. Во время этой фазы отскока «ворота» открываются, и визуальная информация может достичь ядра шва. Эти визуальные сигналы добавляются к возбуждению нейронов и заставляют клетки активироваться пропорционально визуальной скорости, высвобождая серотонин, который корректирует интенсивность плавания рыбы.
Новые результаты дают представление о том, как работает нейромодуляция в ядре шва — области мозга, также присутствующей у человека — и потенциально проливают свет на процессы, задействованные в других нейромодуляторных системах мозга.