Префронтальная кора может блокировать творческое решение проблем

Исследователи обнаружили неожиданную роль медиальной префронтальной коры (мПФК) – области мозга, которая традиционно рассматривается как центр управления поведенческой гибкостью. Команда продемонстрировала, что мПФК может препятствовать решению задач, фиксируя мышей на старой привычке, известной как стратегия по умолчанию, основанная на памяти, "выиграл-оставайся".

Используя естественную задачу по поиску детенышей в Т-образном лабиринте, исследователи отслеживали, как мыши учатся отказываться от своей стратегии по умолчанию в пользу более эффективного звукового сигнала. Химическое подавление активности мПФК ускорило этот процесс обучения, позволив мышам освоить превосходящую звуковую стратегию всего за два-три дня, по сравнению с восемью днями у контрольных животных.

Результаты исследования предполагают, что "выход за рамки" и приобретение новых, основанных на сенсорных сигналах привычек, требуют подавления исполнительной мПФК. Это дает новые представления об исполнительных функциях, нейроразнообразии и когнитивных расстройствах.

Ключевые факты

• Опровержение догмы о префронтальной коре: Исследование показывает, что префронтальная кора, часто считающаяся главным регулятором когнитивной гибкости мозга, может активно мешать животным в принятии более эффективных, творческих решений.
• Стратегия по умолчанию "выиграл-оставайся", основанная на памяти: Не испытывающие стресса мыши естественным образом полагаются на эволюционную стратегию по умолчанию – возвращаться туда, где они в последний раз находили детеныша, руководствуясь в первую очередь памятью, а не актуальными сигналами окружающей среды.
• Ускоренное обучение путем подавления мПФК: Химическая инактивация мПФК позволила мышам перейти на превосходящую звуковую стратегию всего за 2-3 дня, по сравнению с 4-8 днями, необходимыми контрольным животным.
• Роль слуховой коры: Подавление активности слуховой коры избирательно нарушало освоение звуковых сигналов, из-за чего животные оставались "запертыми" в своей стратегии по умолчанию "выиграл-оставайся" даже после продолжительного обучения.
• Клиническое и человеческое применение: Лаборатория Лю в настоящее время адаптирует эти выводы для моделей аутизма у мышей и тестирует неинвазивные протоколы для людей с использованием транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) для модуляции активности мПФК и улучшения терапевтических подходов к исполнительным функциям.

Префронтальная кора, область мозга, долгое время ассоциировавшаяся с обучением более гибкому поведению, иногда может блокировать способность мыслить нестандартно, как показывает новое исследование на мышах. Результаты опубликованы в журнале Science Advances биологами из Университета Эмори.

"Это неожиданный результат", – говорит Роберт Лю, старший автор исследования и профессор биологии Университета Эмори. "Мы показали, что в отношении определенного естественного поведения у мышей префронтальная кора препятствует освоению новой и лучшей стратегии решения проблемы. Для того чтобы 'выйти за рамки' (думать вне шаблона), необходимо подавлять эту часть мозга, отвечающую за исполнительные решения".

Эти результаты могут дать представление о механизмах, лежащих в основе нейроразнообразия человека и некоторых когнитивных расстройств. Они добавляют нюансы к пониманию роли префронтальной коры – которая часто описывается как система управления мозгом, участвующая в контроле рабочей памяти, принятии решений, гибком мышлении и эмоциональных реакциях.

Фокус на моменте

Животные, как и люди, часто придерживаются того, что хорошо работало в прошлом для достижения цели – это известно как стратегия "выиграл-оставайся". Когда появляется более умная стратегия, в идеале вы должны научиться ее применять.

"Одна из аналогий – это обучение игре, например, в покер", – говорит Кай Лю, первый автор статьи в Science Advances и постдок в лаборатории Лю.

Новые игроки в покер, как объясняет Лю, больше сосредоточены на математических вероятностях и на оценке карт в своих руках и на столе. Однако для оптимальной игры им необходимо научиться адаптировать свою стратегию в каждой партии, основываясь на тонких сигналах от других игроков, чтобы учесть возможность блефа.

В то время как одна стратегия основана в первую очередь на памяти, другая в большей степени полагается на внешние сенсорные сигналы.

Изучение естественного поведения

Лаборатория Лю исследует функциональные, механистические, эволюционные корни и развитие реакций на стимулы. Она использует звуковые стимулы в лабораторной модели грызунов, комбинируя экспериментальные, вычислительные и химиогенетические методы.

Как правило, лабораторные эксперименты по изучению нейронных механизмов обучения направлены просто на формирование новых ассоциаций путем поощрения успеха или наказания за неудачу. Роль предрасположенностей, управляющих поведением, обычно не учитывается.

Лаборатория Лю хотела сосредоточиться на нейронных механизмах, по мере того как мышь учится с нуля заменять устоявшуюся стратегию принятия решений на более эффективную. Они разработали эксперименты, основанные на естественном поведении мышей – возвращении смещенных детенышей в гнездо.

"У самок мышей есть стратегия по умолчанию для поиска детенышей, вероятно, выработанная в ходе эволюции и опыта, которая заключается в том, чтобы просто возвращаться туда, где они в последний раз находили детеныша", – говорит Лю. "Но они также могут научиться действовать лучше, следуя надежному звуковому сигналу, который указывает им, где найти детеныша".

Обучение смене стратегии

Чтобы изучить нейронные механизмы, лежащие в основе смены этой стратегии по умолчанию, исследователи провели эксперименты с использованием Т-образного лабиринта. Взрослую самку мыши помещали в "гнездо" у основания "Т", в то время как искусственный звук играл в качестве своеобразного маяка, привлекающего мышь либо в правую, либо в левую часть "Т", указывая, где экспериментатор разместит детеныша в награду за правильный выбор.

Как и ожидалось, взрослые самки мыши изначально возвращались в ту часть "Т", где они в последний раз находили детеныша – стратегия по умолчанию "выиграл-оставайся" – независимо от положения звука. Однако при повторных испытаниях они демонстрировали постепенное изменение стратегии, учась переопределять неэффективную стратегию по умолчанию и использовать звуковой сигнал, чтобы правильно выбрать сторону, откуда исходит звук, и быстрее получить детеныша. Половина когорты из 12 взрослых самок в экспериментах совершила этот переход к четвертому дню, а все они научились использовать звук к восьмому дню.

Взрослым мышам были имплантированы кремниевые зонды в слуховую кору и медиальную префронтальную кору, что позволило исследователям собирать данные о том, как нейроны в этих областях мозга генерировали импульсы во время выполнения мышами задачи поиска.

Подавление различных областей мозга

Затем с использованием химиогенетических методов были подавлены определенные области мозга у взрослых самок мышей – слуховая кора в одном когорте и медиальная префронтальная кора в другом – и эксперименты были повторены.

Результаты показали, что подавление активности слуховой коры нарушало, хотя и не полностью устраняло, обучение звукам по сравнению с контрольными группами. Стратегия "выиграл-оставайся" оставалась устойчивой и сохранялась у животных, которые не полностью освоили звуковую ассоциацию, даже после восьми дней обучения.

Однако подавление активности медиальной префронтальной коры фактически ускорило использование звуковой стратегии, вопреки ожиданиям исследователей, что решения мышей станут более случайными. Большинство мышей с подавленной активностью медиальной префронтальной коры освоили звуковую стратегию всего за два или три дня.

Исследователи восстановили активность медиальной префронтальной коры у этих мышей и повторили эксперименты. Мыши снова выбрали стратегию по умолчанию. Эти результаты еще больше подтверждают, что медиальная префронтальная кора в основном помогает применять стратегию "выиграл-оставайся", а не способствует освоению более эффективного звукового сигнала.

Старые привычки тяжело умирают

Результаты исследования предполагают, что обучение лучшей стратегии требует преодоления области мозга, активно способствующей старой привычке.

Исследователи предполагают, что медиальная префронтальная кора помогает мозгу фокусироваться на прошлом опыте или будущих планах, что может усугубить трудности с формированием новой привычки.

Лю сравнивает это с обучением подавлять навязчивые мысли и сосредотачиваться на звуке колокола, чтобы направлять сеанс медитации. "Вместо того, чтобы зацикливаться на прошлом или думать о будущем, вам нужно сосредоточиться на настоящем, обращая внимание на текущий момент", – объясняет он.

Лаборатория Лю в настоящее время проводит исследования на мышах, чьи гены были изменены для отражения генетических маркеров, связанных с аутизмом у людей. Эти эксперименты могут дать большее представление о роли медиальной префронтальной коры в нейроразнообразии.

Исследователи также сотрудничают с коллегами для тестирования своей модели на взрослых людях, используя неинвазивные нейробиологические методы. Транскраниальная магнитная стимуляция, например, может использоваться для регулирования активности нервных клеток в определенных областях мозга у людей.

"В конечном итоге, мы хотим попытаться разработать терапевтический подход – основанный на наших выводах о роли префронтальной коры в сравнении с внешними стимулами – чтобы увидеть, может ли он быть полезен терапевтически для пациентов с когнитивными расстройствами, связанными с исполнительными функциями", – говорит Лю.

Соавторами статьи являются Кельвин Вонг, бывший специалист по исследованиям Университета Эмори; и Ченчен Янь, Лин Чжоу, Ике Ши и Майя Костелло, которые работали над проектом в качестве студентов Университета Эмори.

Ключевые вопросы, на которые даны ответы: