Международный консорциум International Brain Laboratory (IBL), объединивший нейробиологов из Европы и США, создал первую в истории карту активности мозга млекопитающего в процессе принятия решения. Исследование, опубликованное в виде двух статей в журнале Nature, проанализировало данные более чем 600 000 отдельных клеток мозга мыши, охватив свыше 95% его областей. Результаты фундаментально изменили представление о том, что принятие решений локализовано в конкретных участках, доказав, что в этот процесс вовлечен практически весь мозг.
До этого проекта нейробиология сталкивалась с системной проблемой отсутствия стандартизации. Разные лаборатории использовали разных мышей, немного отличающиеся поведенческие задачи и собственные определения областей мозга. Такая несогласованность, по словам нейробиолога Маттео Карандини из Университетского колледжа Лондона, «замутняла результаты». «У нас была проблема с тем, как велась наука... Мы не знали, согласны мы или нет, потому что слишком многое отличалось», — объяснял он в интервью для Live Science.
Чтобы решить эту проблему, 12 лабораторий по всему миру воспроизвели один и тот же стандартизированный эксперимент на 139 мышах. В мозг животных были имплантированы зонды Neuropixels, каждый из которых способен одновременно регистрировать активность до 1000 отдельных нейронов. Это позволило создать беспрецедентно надежный и воспроизводимый набор данных, недостижимый для одной научной группы.
Экспериментальная задача была простой. Мышь помещали перед экраном, на котором слева или справа вспыхивал черно-белый полосатый маркер. Если животное поворачивало небольшое колесо в том же направлении, что и маркер, оно получало вознаграждение. В некоторых испытаниях маркер делали едва заметным, заставляя мышей угадывать правильный ответ, полагаясь на ожидания, сформированные в предыдущих тестах.
Как и ожидалось, первой на визуальный стимул реагировала зрительная кора. Однако главное открытие оказалось неожиданным: активность, связанная непосредственно с принятием решения, была распределена по всему мозгу. «Сигналы решения и сигналы, связанные с предварительной информацией, [были обнаружены] в гораздо большем количестве областей мозга, чем мы могли бы предположить», — отмечают исследователи.
Коллективная активность почти всех изученных областей мозга позволяла точно определить, получит ли мышь вознаграждение. Даже когда животным приходилось угадывать, нейронная активность, связанная с этим процессом, также была широко распределена, а не сконцентрирована в каком-то одном центре. Это открытие помогает решить давнюю задачу нейробиологии: как связать вариации в нейронных системах с вариациями в поведении.
Масштаб и совместный характер работы IBL сравнивают с такими проектами «большой науки», как эксперименты по физике элементарных частиц в ЦЕРН или проект «Геном человека». Маттео Карандини предложил астрономическую аналогию: если раньше нейробиологи были подобны астрономам, направляющим мощные телескопы на отдельные галактики и делающим изолированные выводы («Моя галактика делает то-то!»), то новое исследование позволило увидеть «все особенности всего ночного неба одновременно и вблизи», наблюдая за взаимодействием всех «галактик».
На данном этапе выводы исследования являются корреляционными, а не причинно-следственными. Ученые видят, что широкая активность мозга связана с решением, но пока не могут утверждать, что именно она его вызывает. Следующим шагом станет установление каузальности, чтобы определить, какие именно нейронные процессы являются необходимыми и достаточными для принятия решения. «Я думаю, это следующий рубеж — добавить в исследование причинность», — заключил Карандини.
Изображение носит иллюстративный характер
До этого проекта нейробиология сталкивалась с системной проблемой отсутствия стандартизации. Разные лаборатории использовали разных мышей, немного отличающиеся поведенческие задачи и собственные определения областей мозга. Такая несогласованность, по словам нейробиолога Маттео Карандини из Университетского колледжа Лондона, «замутняла результаты». «У нас была проблема с тем, как велась наука... Мы не знали, согласны мы или нет, потому что слишком многое отличалось», — объяснял он в интервью для Live Science.
Чтобы решить эту проблему, 12 лабораторий по всему миру воспроизвели один и тот же стандартизированный эксперимент на 139 мышах. В мозг животных были имплантированы зонды Neuropixels, каждый из которых способен одновременно регистрировать активность до 1000 отдельных нейронов. Это позволило создать беспрецедентно надежный и воспроизводимый набор данных, недостижимый для одной научной группы.
Экспериментальная задача была простой. Мышь помещали перед экраном, на котором слева или справа вспыхивал черно-белый полосатый маркер. Если животное поворачивало небольшое колесо в том же направлении, что и маркер, оно получало вознаграждение. В некоторых испытаниях маркер делали едва заметным, заставляя мышей угадывать правильный ответ, полагаясь на ожидания, сформированные в предыдущих тестах.
Как и ожидалось, первой на визуальный стимул реагировала зрительная кора. Однако главное открытие оказалось неожиданным: активность, связанная непосредственно с принятием решения, была распределена по всему мозгу. «Сигналы решения и сигналы, связанные с предварительной информацией, [были обнаружены] в гораздо большем количестве областей мозга, чем мы могли бы предположить», — отмечают исследователи.
Коллективная активность почти всех изученных областей мозга позволяла точно определить, получит ли мышь вознаграждение. Даже когда животным приходилось угадывать, нейронная активность, связанная с этим процессом, также была широко распределена, а не сконцентрирована в каком-то одном центре. Это открытие помогает решить давнюю задачу нейробиологии: как связать вариации в нейронных системах с вариациями в поведении.
Масштаб и совместный характер работы IBL сравнивают с такими проектами «большой науки», как эксперименты по физике элементарных частиц в ЦЕРН или проект «Геном человека». Маттео Карандини предложил астрономическую аналогию: если раньше нейробиологи были подобны астрономам, направляющим мощные телескопы на отдельные галактики и делающим изолированные выводы («Моя галактика делает то-то!»), то новое исследование позволило увидеть «все особенности всего ночного неба одновременно и вблизи», наблюдая за взаимодействием всех «галактик».
На данном этапе выводы исследования являются корреляционными, а не причинно-следственными. Ученые видят, что широкая активность мозга связана с решением, но пока не могут утверждать, что именно она его вызывает. Следующим шагом станет установление каузальности, чтобы определить, какие именно нейронные процессы являются необходимыми и достаточными для принятия решения. «Я думаю, это следующий рубеж — добавить в исследование причинность», — заключил Карандини.
