Терпение нашли в орбитофронтальной и префронтальной коре головного мозга

Японские ученые провели эксперимент на мышах и выяснили, что за принятие решения о том, стоит ли ждать награду (то есть терпение), в головном мозге, помимо ядер шва, отвечают еще два участка, связанных с ними серотонинергической системой: орбитофронтальная и медиальная часть префронтальной коры. При этом информацию о возможной награде эти участки обрабатывают по-разному: орбитофронтальная кора оценивает потраченное на ожидание время, а префронтальная — оценивает ситуацию в целом. Итоги исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Терпение, то есть способность длительное время ждать вознаграждения, — качество, помогающее животным и человеку приспосабливаться к меняющейся окружающей среде. В организме терпение регулируется серотонином — нейромедиатором, который, помимо этого, отвечает за настроение, циклы сна и бодрствования, аппетит, а также за импульсивное поведение, то есть поведение, рассчитанное на немедленное получение награды.

Группа нейробиологов во главе с Кацухико Миядзаки (Katsuhiko Miyazaki) из Института науки и технологий Университета Окинавы давно исследует, как именно серотонин регулирует терпение. Ученые уже выяснили, что серотонин в этой роли наиболее эффективен, когда высока уверенность в получении награды. Предыдущие исследования на мышах также показали, что с ожиданием будущих наград связана активация серотонинергических нейронов в дорсальных ядрах шва (область в продолговатом мозге). Нейроны из этой области протягиваются к другим областям — прилежащему ядру, орбитофронтальной коре и медиальной фронтальной коре — их повреждение усиливает импульсивное поведение. Но как именно эти области регулируют терпение, оставалось неизвестным.

Выяснить это исследователи под руководством Миядзаки решили в новом исследовании. Для этого они воспользовались оптогенетикой: взяли 27 генно-модифицированных мышей, у которых серотонинергические нейроны экспрессировали светочувствительный белок. Стимулируя терминали аксонов светом через вживленное в головы животных оптоволокно, можно вызвать выработку нейромедиатора и повысить нейронную активность. Также ученые взяли 15 мышей, которым тоже вживили оптоволокно, но светочувствительного белка в их нейронах не было.

Мыши приняли участие в серии экспериментов, в которых их помещали в клетки с отверстием в стенке. Если мышь тыкала носом в отверстие, раздавался звук, и в клетку скатывался кусочек корма, но не сразу: иногда корм поступал спустя шесть секунд после действия, иногда — спустя десять. В части экспериментов корм поступал спустя случайный промежуток времени в диапазоне от двух до десяти секунд. При этом корм мыши получали только в 75 процентах случаев. Во время эксперимента ученые оценивали, как долго мыши тыкали носом и ждали награду в зависимости от того, стимулировали им серотонинергические нейроны или нет.

Оказалось, что стимуляция проекций серотонинергических нейронов, доходящих до прилежащего ядра, не увеличивала время ожидания. Значит, серотонин в этой области мозга, вероятно, не играет роли в регуляции терпения. Активность серотонинергических нейронов в орбитофронтальной коре, наоборот, увеличивала время, в течение которого испытуемые были готовы ждать (p = 0,033), причем так же эффективно, как и стимуляция работы нейромедиатора в ядрах шва. От временного промежутка результат не зависел. 

При активности серотонинергических нейронов в медиальной части префронтальной коры мыши терпеливо ждали дольше, но только когда им не было известно, когда они получат награду (p = 0,023), то есть в экспериментах со случайным временным промежутком. При фиксированном времени (каждый раз по две, шесть или десять секунд, в зависимости от эксперимента) такого эффекта не наблюдалось.

Когда ученые сравнили результаты экспериментов для обычных и генномодифицированных животных, оказалось, что вторые, в среднем, ждали намного дольше: из этого ученые сделали вывод, что все дело в стимуляции серотонинергических нейронов. Чтобы объяснить, как это связано с поведением животных, ученые построили математическую модель на основе результатов экспериментов: в качестве главного параметра взяли соотношение времени ожидания награды с активацией серотонинергических нейронов со времени ожидания без активации нейронов.

Модель учитывала, что мозг мышей прогнозирует время доставки корма и оценивает вероятность того, что они в принципе получат корм: чем больше времени проходит, тем ниже вероятность того, что награда последует. Стимуляция выброса серотонина повышала эту вероятность: например, если награда поступает только в 75 процентах случаев, то вероятность составляет 75 процентов, но стимуляция серотонинергических нейронов повышала эту вероятность для мышей до 94 процентов. Действие серотонина увеличивало уверенность животных в том, что они участвуют в испытании с вознаграждением, поэтому они ждали дольше.

Модель также предполагает, что орбитофронтальная кора и медиальная префронтальная кора используют разные стратегии ожидания вознаграждения. Обработка информации в первой области влияет на оценку затраченного времени, а вторая область отвечает за общую оценку ситуации отложенного вознаграждения, так как в меньшей степени специализируется на анализе временных промежутков. Затем мозг, вероятно, объединяет результаты вычислений в разных отделах, чтобы принять решение — проявить ли терпение или нет.

Ранее ученые показывали, что серотонин стимулирует восстановление разорванных аксонов мотонейронов — по крайней мере, у рыбок данио-рерио.