Парвальбумин-экспрессирующие нейроны базального переднего мозга оказались задействованы в аверсивном обучении

Венгерские нейробиологи выяснили, что в реакции на аверсивные стимулы вовлечены ГАМКергические нейроны базального переднего мозга, экспрессирующие парвальбумин. Когда мышей обучали различать два звуковых стимула, за одним из которых чаще всего следовало вознаграждение, а за другим — наказание, эти нейроны активировались во время наказания. Ингибирование этих нейронов нарушило обучение: мыши больше не различали два стимула. Ретроградное и антероградное отслеживания показали, что парвальбумин-экспрессирующие нейроны в этом регионе получают входные сигналы от гипоталамуса, прозрачной перегородки, прилежащего ядра и дорсального ядра шва, а сами проецируются на ключевые лимбические области. Статья опубликована в Nature Communications.

Парвальбумин-экспрессирующие ГАМКергические нейроны базального переднего мозга (BFPVN) регулируют кортикальные гамма-колебания и участвуют в бодрствовании и возбуждении. А дегенерация этих нейронов связана со снижением когнитивных функций при болезни Альцгеймера и при старении. Кроме того, поражения базального переднего мозга вызывают дефицит внимания и обучения у грызунов. Все это указывает на то, что эти нейроны могут быть задействованы в ассоциативном обучении.

Чтобы разобраться в этом, Панна Хегедуш (Panna Hegedüs) и ее коллеги из Института экспериментальной медицины HUN-REN в Венгрии провели эксперименты на мышах. Они отслеживали активность парвальбумин-экспрессирующих нейронов горизонтального ядра диагональной полосы Брока (участка базального переднего мозга) во время ассоциативного обучения. Мышей, которым до этого не давали пить, сажали перед поилкой с водой, и включали поочередно два звуковых сигнала. За первым в 80 процентах случаев следовала награда — возможность попить воды из носика поилки, а в 20 процентах случаев — наказание или ничего. За вторым сигналом в 65 процентах случаев следовало наказание — струя воздуха в морду, в 25 процентах — награда, а в 10 процентах — ничего. Мыши вскоре поняли разницу и начинали облизываться часто, когда слышали первый сигнал, и реже — когда второй.

Около трети BFPVN мышей реагировали постепенно и линейно на появление любого из сигналов; 39 процентов этих нейронов реагировали на вознаграждение; и 75 процентов клеток откликались на наказание — быстрой фазовой активацией. Дополнительные эксперименты показали, что эти нейроны также реагируют и на другие аверсивные (то есть неприятные) стимулы — запах хищника или удар током.

Оптогенетическая активация BFPVN не вызывала у мышей реакции избегания, когда их сажали на экспериментальную арену, разделенную на два отсека, и стимулировали нейроны только в одном отсеке. Однако ингибирование этих нейронов во время обучения нарушало его: мыши облизывались одинаково часто в ответ на оба сигнала, несмотря на то, что за одним из них чаще следовало наказание, а не награда в виде воды. То есть подавление активности BFPVN приводило к тому, что мыши больше не меняли свое поведение в ответ на предсказывающий наказание стимул.

С помощью инъекции модифицированного вируса бешенства в нейроны базального переднего мозга ученые выяснили, от каких областей мозга сигналы приходят в BFPVN, и куда направляются дальше. Ретроградное отслеживание показало, что большая часть входных сигналов поступает от гипоталамуса, а остальные — от септальной области, прилежащего ядра, другой части диагональной полосы Брока и дорсального ядра шва. Большинство входных нейронов от дорсального ядра шва были глутаматергическими нейронами, экспрессирующими vGluT3 и vGluT2. Эти нейроны вовлечены в обработку негативного опыта.

Сами же BFPVN проецировались на медиальную перегородку, диагональную полосу Брока, ретроспленальную кору, гиппокамп и другие части лимбической системы — медиальное маммилярное ядро, супрамаммилярное ядро и паратениальный таламус. Небольшая часть проекций располагалась в областях префронтальной коры, прозрачной перегородки и дорсального ядра шва.

Другие клетки базального переднего мозга — холинергические нейроны — тоже быстро реагируют на аверсивные стимулы, однако стимуляция этих клеток не вызывает избегания или приближения. Считается, что эти клетки способствуют обучению, а не напрямую участвуют в двигательных эффекторных функциях. Авторы пришли к выводу, что и BFPVN, по всей видимости, тоже участвуют в когнитивной обработке аверсивных стимулов во время обучения — возможно, управляя вниманием животного и повышая возбудимость лимбических и корковых областей.

Ранее нейробиологи из США выяснили, что для ассоциативного обучения важен мозжечок — инактивация нейронов его заднелатеральной части не позволила макакам выучить визуомоторные ассоциации.