Нейронауки в Science и Nature. Выпуск 229: как нейронные ансамбли миндалевидного тела кодируют исследовательское поведение
Внутренние состояния, такие как состояние аффекта, голод, жажда, являются мотиваторами для определенных поведенческих актов. Одиз из главных участков мозга, которое регулирует такое мотивированное поведение – парный орган внутри белого вещества височных долей. В исследовании 2019 года, опубликованном в престижном Science, авторы задались вопросом: как именно миндалевидное тело кодирует различные внутренние состояния. Регистрируя активность нейронов базальной миндалины с помощью кальциевого имиджинга в различных поведенческих парадигмах, ученым удалось обнаружить два ансамбля нейронов, отвечающих за наличие или отсутствие исследовательского поведения при различных внутренних состояниях.
Два больших антагонистических нейронных ансамбля базальной миндалины сигнализируют о противоположных поведенческих состояниях, сохраняемых в разных поведенческих
парадигмах и контекстах. Эта сигнатура нейронного состояния разделяет исследовательское и не-исследователькое, защитное поведение (пунктирная линия) от момента к моменту, не согласуется с глобальными уровнями тревоги (красные кластеры, высокая тревожность; синие кластеры, низкая тревожность), она ортогональна сенсорным реакциям и «транслируется» в более широкую сеть мозга.
Способность селективно воспринимать информацию из окружающей среды и адаптировать свое поведение в ответ на изменение внутреннего состояния необходима животным для выживания. К внутренним состояниям относят, например, аффективные состояния, голод, жажду и оборонительное поведение. Известно, что изменения внутренних состояний связаны с изменением активности нейронных ансамблей в таламо-кортикальных областях мозга, обработкой сенсорных стимулов и активностью определенных гормонов. Однако оставалось непонятным, где и как происходит изменение нейронной активности при комплексном изменении внутренних состояний, приводящим к изменению поведения.
Миндалевидное тело (миндалина) играет ключевую роль в формировании эмоций, в частности страха. Поэтому большинство экспериментов, посвященных изучению функций миндалины, проводилось в парадигме классического обусловленного страха (классический «павловский» условный рефлекс на аверсивный стимул). Это позволило идентифицировать нейронные ансамбли, лежащие в основе ассоциативной пластичности.
Однако подобная парадигма не позволяла изучить активность нейронов миндалины во время произвольных поведенческих актов, связанных с изменением внутренних состояний (например, добыча пищи в ответ на голод, оценка риска при наличии угрожающих стимулов и избегание потенциально опасных мест). Базальная миндалина (базальное ядро базолатеральной области миндалевидного тела) является одним из главных центров, регулирущих социальное поведение, а также поведение, связанное с изменением внутренних состояний (аффективных и гомеостатических). Миндалина раздельно обрабатывает внутренние и внешние (сенсорные) стимулы и далее передает информацию в различные области мозга (моторные пути, таламус, сенсорные отделы коры, гипоталамус), участвуя таким образом в формировании сложных поведенческих реакций.
В описываемой нами работе авторы исследовали активность нейронов базальной миндалины в трех поведенческих парадигмах: в тесте «открытое поле», в приподнятом крестообразном лабиринте и в классической парадигме обусловленного страха в ответ на аверсивный стимул. Для этого они проводили мышам стереотаксические операции на мозге и вживляли так называемые GRIN-линзы (gradient index lens), позволяющие с помощью специального миниатюрного флуоресцентного микроскопа, закрепленного на голове животного регистрировать кальциевую активность отдельных популяций нейронов. Предварительно в базальную миндалину вводился аденоассоциированный вирус, переносящий ген флюресцентного белка GCaMP6f, который затем экспрессировался в нейронах и этот белок светился при их активации в ответ на вхождение кальция в клетку во время потенциала действия. Важно отметить, что GRIN-линза не извлекалась из структур миндалины на протяжении всего эксперимента, что позволило ученым регистрировать активность одних и тех же популяций нейронов в различных контекстах.
Схема эксперимента была следующей: в первый день мышей помещали в открытое поле. Животные с закрепленным на голове микроскопом могли свободно передвигаться и исследовать пространство. В процессе эксперимента для каждой мыши записывали кальциевую активность примерно 133 нейронов. В среднем, животные проводили больше времени на периферии открытого поля (в углах и у стен), чем в центре. Причем скорость их передвижения на периферии также была выше. Ученые обнаружили, что во время проявления исследовательской активности — переходов из центра поля на периферию и активного передвижения — у мышей воспроизводимо активировался один и тот же ансамбль нейронов (ансамбль №1). Когда животные возвращались в центр, активность ансамбля №1 снижалась, но в то же время возрастала активность другого ансамбля (ансамбль №2). Дополнительно исследователи с помощью алгоритмов машинного обучения попробовали по активности того или иного ансамбля предсказать, что делает мышь в определенный момент времени. И им это удалось.
На следующий день мышей тестировали в приподнятом крестообразном лабиринте (ПКЛ), где они также могли свободно передвигаться. ПКЛ состоит из двух закрытых рукавов (со стенками), двух открытых рукавов (без стенок) и центральной платформы. Считается, что нахождение в открытых рукавах лабиринта связано с низким уровнем страха. Мыши примерно 81% времени проводили в закрытых рукавах, причем одному из них отдавали большее предпочтение (он служил для них «домиком» — самым безопасным местом). Когда мыши находились в “домике” и не проявляли исследовательскую активность, наблюдалась активация ансабля №2. Ансамбль №1, напротив, активировался при исследовании других рукавов лабиринта и активном передвижении.
Поскольку в открытом поле и в ПКЛ мыши имели возможность свободно передвигаться и ничему специально не обучались, ученые решили также посмотреть, какой будет активность нейронных ансамблей при обучении. Для этого использовали классическую парадигму условно-рефлекторного замирания. В течение пяти дней мышей помещали в экпериментальную камеру, в которой после предъявления звукового сигнала (условный стимул) животные получали электрокожное раздражение лапок (безусловный стимул). После обучения мыши в ответ на звуковой сигнал замирали, тем самым проявляя страх. Интересно, что, даже находясь на периферии экспериментальной камеры у мышей во время реакции замирания не активировался ансамбль №1. Это говорит о том, что активация того или иного ансамбля действительно связана с наличием или отсутствием исследовательского поведения. Во время реакции страха как правило исследовать что-либо животные не хотят, и свою активность проявляет ансамбль №2 не зависимо от того, находится мышь в центре камеры или на периферии.
Дополнительно ученые исследовали другие области мозга (префронтальную кору, прилежащее ядро и вентральный гипоталамус), изменение активности в которых принято связывать с изменением внутренних состояний и с наличием или отсутствием исследовательского поведения. Выяснилось, что активность в миндалине и в этих областях имеет схожий паттерн, что неудивительно, поскольку миндалина имеет проекции в префронтальную кору, прилежащее ядро и вентральный гипоталамус. Таким образом, миндалина кодирует проявление исследовательского поведения и передает информацию другим нейрональным ансамблям для дальнейшей реализации этого поведения.
В качестве дополнения также предлагаю посмотреть запись с конференции Cosyne 2019, на которой Ян Грюндерманн рассказывает о проделанной работе.
Текст: Евгения Букина
Jan Gründemann*, Yael Bitterman*, Tingjia Lu, Sabine Krabbe, Benjamin F. Grewe, Mark J. Schnitzer & Andreas Lüthi (2019) Amygdala Ensembles Encode Behavioral States. Science, Vol. 364, Issue 6437, eaav8736