Мозговые схемы, лежащие в основе обучения на основе негативного опыта

«Я никогда больше этого не сделаю», — часто говорим мы, когда сталкиваемся с негативной реакцией, негативным влиянием или неутешительными результатами. Поэтому мы пытаемся извлечь уроки из этого негативного опыта. Этот принцип также является краеугольным камнем нашей образовательной системы: провал на экзамене должен побудить учащихся в следующий раз добиться большего.

Как мозг достигает такого типа обучения? В некоторых частях системы оценки мозга положительное и отрицательное подкрепление выглядят как две стороны одной медали. Примечательно, что некоторые нейроны, которые выделяют нейромодулятор дофамин, демонстрируют лучшие или худшие результаты, чем ожидалось, при повышенной или пониженной активности соответственно. В то же время многочисленные данные свидетельствуют о том, что другие части мозга обрабатывают «негатив» и «позитив» фундаментально по-разному.

Негативные переживания, когда мы с ними сталкиваемся, часто оказывают стимулирующее действие: они не оставляют нас равнодушными или невнимательными. Помимо этого общего возбуждения, активируются определенные части неокортекса, которые позволяют нам обращать внимание на соответствующие функции и, в конечном итоге, делать выводы и учиться – концепцию, которую иногда называют «вниманием для обучения». Когда мы сосредотачиваемся на негативной стороне вещей, мы можем назвать это «интересом к аверсивному обучению».

Группа нейробиологов из Института экспериментальной медицины HUN-REN в Будапеште (Венгрия) под руководством ведущего исследователя Балажа Хангиа, доктора философии, задалась вопросом, какие области мозга и типы нейронов могут быть ответственны за «обучение, отталкивающее внимание». В новом исследовании, опубликованном сегодня в Природные коммуникацииКоманда сообщила, что нейроны, ингибирующие дальнюю проекцию, которые экспрессируют кальций-связывающий белок парвальбумин (PV), который, как известно, обладает чрезвычайно быстрой активностью, расположены в глубоком ядре мозга, называемом «горизонтальной частью диагональной полосы Брока», или HDB и играют ключевую роль в этом процессе.

Ранее было показано, что эти нейроны HDB-PV передают возбуждающие воздействия на неокортекс как в краткосрочных, так и в долгосрочных масштабах, а также контролируют быстрые кортикальные волны мозга, называемые гамма-колебаниями, которые важны для когнитивных процессов. Таким образом, они кажутся хорошими кандидатами для привлечения «внимания к аверсивному обучению». Команда Ханджиа показала, что эти нейроны на самом деле рекрутируются в результате аверсивных событий у экспериментальных мышей, таких как неожиданное дуновение воздуха на морду мышей, пытающихся их избежать, или запах грозного хищника.

Такие аверсивные события явно актуальны как для людей, так и для животных и, таким образом, активируют ряд путей, которые запускают каскад последствий в мозгу. Прежде всего, и, возможно, в первую очередь, эти события могут представлять собой возможность для длительного негативного воздействия или даже непосредственной опасности, вероятность которой следует снизить с помощью избегающего поведения. Фактически было обнаружено, что многие нейронные пути, задействованные аверсивными входными сигналами, приводят к активному избеганию. Во-вторых, неожиданные неприятные события должны повышать возбуждение и внимание за счет активации соответствующих частей неокортекса, тем самым привлекая ресурсы, позволяющие справиться с ситуацией. В-третьих, что имеет решающее значение для долгосрочного выживания, аверсивные события должны стимулировать обучение, чтобы помочь избежать или уменьшить воздействие подобных сценариев в будущем.

Обучение на негативном опыте — древняя и глубоко укоренившаяся стратегия выживания. Оно настолько мощное, что иногда мы можем ощутить его, что оно может преодолеть эффект положительного подкрепления.

Пана Хегедус, первый автор исследования

Команда Ханджиа использовала метод, называемый оптогенетикой, который может сделать определенные типы клеток, в данном случае нейроны HDB-PV, чувствительными к свету. Эти методы позволяют точно активировать или подавлять активность нейронов путем своевременной доставки света к тканям мозга через небольшие оптические волокна. Они обнаружили, что активация нейронов HDB-PV не вызывает у мышей избегающего поведения, предполагая, что этот путь не участвует в активном избегании, таком как поиск убежища, а скорее опосредует аспекты внимания и/или обучения, вызванные аверсивными стимулами. Фактически, когда они с помощью оптогенетики заблокировали реакцию нейронов на дуновение воздуха на лице, мыши не смогли научиться различать прогнозирующие слуховые стимулы, которые предсказывали вероятные или маловероятные дуновения воздуха. Этот эксперимент показал, что нейроны HDB-PV необходимы для обучения на аверсивных стимулах.

Какая цепь мозга обеспечивает этот эффект обучения? Нейроны не функционируют изолированно, а являются частью сложных цепей с разнообразными входными и выходными путями. Команда Ханджиа в сотрудничестве с Габором Нери и коллегами из того же института нанесла на карту входы и выходы нейронов HDB-PV. Они обнаружили, что эти клетки интегрируют несколько источников аверсивной информации, включая пути, исходящие из гипоталамуса и ядер шва ствола мозга. Они, в свою очередь, передают интегрированную информацию так называемой лимбической системе, которая в целом отвечает за поведенческие и эмоциональные реакции, включая гиппокампально-септальную систему, важную для хранения и восстановления эпизодических воспоминаний. Более того, ингибирующие клетки HDB-PV преимущественно нацелены на другие тормозные нейроны в этих областях, тем самым потенциально освобождая возбуждающие клетки от торможения, позволяя им быть более активными – широко распространенный мозговой механизм, называемый растормаживанием.

Таким образом, исследование предполагает, что долговременные тормозные нейроны HDB-PV рекрутируются аверсивными стимулами для выполнения критически важных функций ассоциативного обучения за счет увеличения корковой возбудимости в определенных целевых областях, возможно, посредством растормажения. Таким образом, по крайней мере для аверсивных стимулов, нейроны HDB-PV могут быть физическим субстратом концепции «внимания к обучению».

«Нарушение регуляции обработки положительной и отрицательной валентности может наблюдаться при различных психических расстройствах, включая тревогу и депрессию. Поэтому важно понять, как отрицательная валентность кодируется в мозге и как она способствует обучению», — заключает Пана-Хегедус.