Формирование визуомоторных ассоциаций оказалось зависимо от мозжечка

Нейробиологи из США выяснили, что мозжечок важен не только для моторных функций, но и для ассоциативного обучения, основанного на вознаграждении. Когда ученые инактивировали нейроны заднелатеральной части мозжечка макак, которые пытались выучить новые визуомоторные ассоциации, обучение нарушалось, хотя двигательные функции сохранялись. Визуализация нейронных сетей других приматов показала, что мозжечок функционально связан с префронтальной корой мозга — и, по всей видимости, обменивается с ней сигналами во время ассоциативного обучения. Результаты опубликованы в Nature Communications.

Мозжечок традиционно считается отделом мозга, отвечающим за координацию движений, регуляцию мышечного тонуса и равновесия путем обмена сигналами с моторными областями коры. Однако мозжечок функционально связан и с другими областями коры, которые не регулируют движения, а значит, может участвовать и в других процессах. Исследования, проведенные на пациентах с патологиями мозжечка, подтверждают его роль в исполнительной функции, рабочей памяти, речи, эмоциях и обработке вознаграждения, но конкретный вклад мозжечка в немоторные процессы исследован мало.

Ранее Майкл Голдберг (Michael Goldberg) вместе с коллегами из Колумбийского университета показал на макаках-резусах (Macaca mulatta), что клетки Пуркинье в областях Crus I и Crus II заднелатерального мозжечка активируются во время обучения визуомоторным ассоциациям и производят сигнал ошибки, который сходит на нет по мере того, как обезьяны осваивают задачу. При этом часть клеток реагировала, когда обезьяна получала вознаграждение за правильно выполненное задание, другая часть — когда она ошибалась и не получала вознаграждение.

В новой работе Голдберг и его коллеги из Колумбийского и Питсбургского университетов проверяли, повлияет ли на изучение визуомоторных ассоциаций инактивация заднелатерального мозжечка. Как и в предыдущем эксперименте, они учили двух самцов макаков-резусов ассоциировать визуальные стимулы с движением правой или левой руки. Обезьяны сидели перед монитором, положив две руки на планки. На экране появлялся то один, то второй стимул из пары, и, чтобы получить вознаграждение в виде капли сока, макака должна была отпускать планку то одной, то другой рукой (например, зеленый стимул обезьян учили связывать с движением левой руки, а розовый — правой).

Когда обезьяны освоили несколько ассоциаций так хорошо, что практически не ошибались при предъявлении конкретных стимулов, исследователи ввели в их мозжечок раствор мусцимола — вещества, которое снижает возбудимость клеток. Мусцимол вводили в области Crus I и Crus II заднелатерального мозжечка. В качестве контроля в другие дни обезьянам вместо мусцимола вводили физраствор. Спустя 30-40 минут после инъекций ученые предлагали макакам новые пары стимулов и наблюдали за тем, как они осваивают новые ассоциации. Если в мозжечок вводился мусцимол, изучение новой ассоциации нарушалось: когда производительность обезьян во время контрольных сеансов достигала 100 процентов, во время сеансов с мусцимолом она составляла лишь 65 процентов. При этом выучить ассоциацию на 100 процентов обезьяны после введения мусцимола не могли, даже если упражнялись дольше. Таким образом, инактивация заднелатеральной части мозжечка ухудшала обучение, но не устраняла его полностью.

В то же время макаки помнили уже выученные ассоциации и даже после введения мусцимола успешно выполняли задания со стимулами, которые они уже научились ассоциировать с движением правой или левой руки. То есть инактивация не влияла на способность обезьян выполнять те элементы задачи, которые не требовали обучения. Моторика после инъекций мусцимола тоже не нарушалась.

Затем исследователи идентифицировали корково-мозжечковую сеть, необходимую для изучения визуомоторных ассоциаций. Для этого они ввели штамм вируса бешенства в задние части Crus II двум другим обезьянам — капуцинам Cebus apella. Спустя двое суток, когда вирус уже инфицировал нейроны второго порядка в V слое коры мозга капуцинов, авторы усыпили обезьян и сделали срезы мозга. Большинство инфицированных нейронов (63 процента) располагались в областях префронтальной коры обезьян, еще часть — в задней теменной, задней поясной и ретроспленальной коре, а также в островковой и височной. Лишь три процента инфицированных нейронов располагались в моторных областях коры. Около половины инфицированных нейронов префронтальной коры располагались в предорсальной премоторной области (PrePMd), которая соседствует с дорсальной премоторной корой (PMd). Анализ показал, что большинство входных сигналов от латеральнозаднего мозжечка приходит именно в область PrePMd.

После этого исследователи ввели вирус бешенства в PrePMd двум другим капуцинам и спустя почти трое суток сделали срезы мозжечка. Большинство инфицированных нейронов располагались в участках Crus I и Crus II — это были клетки Пуркинье. Проанализировав полученные результаты и сравнив их с результатами своих прошлых экспериментов, авторы заключили, что участок мозжечка, инактивация которого нарушает изучение визуомоторных ассоциаций, не связан ни с одной из моторных областей коры, а образует замкнутые цепи с префронтальной корой — той областью, которая осуществляет исполнительную функцию и играет главную роль в принятии решений и планировании. Предыдущие исследования показали, что макаки с пораженной префронтальной корой неспособны усваивать новые визуомоторные ассоциации и хуже справляются с задачами, которые освоили ранее.

Полученные результаты указывают на то, что немоторные области мозжечка участвуют в условном ассоциативном обучении, регулируя нейронную активность в связанных областях префронтальной коры. Ранее было показано, что у пациентов с патологиями мозжечка нарушается ассоциативное обучение, однако до сих пор вклад мозжечка в формирование визуомоторных ассоциаций экспериментально не обнаруживался. Впрочем, в предыдущих экспериментах ученые вызывали обширные и необратимые повреждения мозжечка у животных, что могло повлиять на моторные функции и таким образом усложнить интерпретацию результатов.

О том, что мозжечок как-то задействован в вознаграждении (а значит, и в обучении), ученые узнали еще несколько лет назад: тогда эксперименты на мышах показали, что часть нейронов мозжечка активируется, когда мышь ожидает награду, а другая — когда ожидаемая награда не предоставляется. С движением активность этих клеток связана не была.