Мозжечок занимает всего 10% объёма головного мозга. При этом он содержит около 50% нейронов последнего. Несмотря на то, что «вычислительная мощность» мозжечка очевидно велика, считалось, что к сознанию эта часть мозга отношения практически не имеет. Предполагалось, что мозжечок помогает нам, например, поддерживать тело в вертикальном положении или дышать — то есть, занимается организацией физических действий. Но теперь нейрофизиологам удалось обнаружить, что мозжечок участвует в работе системы вознаграждения — одного из основных механизмов, определяющих нашу мотивацию и управляющих поведением.
Это открытие позволяет предположить, что принцип работы нейронов, занимающих большую часть мозжечка — так называемых «гранулярных клеток» — отличается от наших о нём представлений.
«В мозжечке сконцентрировано множество нейронов. Однако информация о мозжечке практически не была интегрирована в общую картину, описывающую процесс решения мозгом различных задач. И произошло это, в основном, из-за предположения, что мозжечок участвует исключительно в моторной деятельности», — рассказывает один из авторов нового исследования Марк Вагнер (Mark Wagner) из Стэнфордского университета (Stanford University).
Результаты работы были опубликованы в издании Nature.
Мозжечок находится в задней части головного мозга. Он объединён множеством связей с моторной корой — областью, занимающейся планированием и осуществлением произвольных движений, а также их контролем. Существовали косвенные свидетельства того, что мозжечок играет роль в организации когнитивных процессов, например, речевой функции или концентрации внимания. Однако авторы предыдущих исследований, посвящённых гранулярным клеткам, связывали их работу исключительно с моторной и базовой сенсорной функциями.
Действительно, первое, что бросается в глаза при повреждении мозжечка — это нарушения равновесия и координации движений. Людям с нарушениями функции мозжечка может быть сложно рассчитать траекторию, по которой нужно провести руку, чтобы взять нужную вещь.
Но в мозжечке может идти и множество других процессов, поскольку общее количество гранулярных клеток мозжечка — 60 млрд. Это больше, чем количество всех остальных нейронов головного мозга, вместе взятых, что затрудняет изучение данной области нервной системы.
Чтобы выяснить, как мозжечок управляет мышцами подопытных животных, команда учёных из Стэнфордского университета использовала новую методику двухфотонной кальциевой визуализации. Этот подход позволил исследователям наблюдать за работой гранулярных клеток в реальном времени. Для визуализации применялся зелёный флуоресцентный белок, позволяющий в буквальном смысле слова подсвечивать клетки в определённые моменты их жизнедеятельности.
В ходе эксперимента мышам в качестве вознаграждения давали подслащённую воду. Это происходило каждый раз, когда животные нажимали на рычаг. Учёные ожидали, что гранулярные клетки начнут светиться при выполнении движений. Однако оказалось, что в мозжечке также формируется связь между гранулярными клетками и системой вознаграждения, активируемой сладкой водой. Некоторые клетки «включались», когда мышь нажимала на рычаг, а другие — когда она ждала награду.
«Это было случайное наблюдение, вроде „вау, они действительно реагируют на вознаграждение!“» — рассказывает один из авторов работы Лицюнь Ло (Liqun Luo).
Конечно, описанные результаты были получены на мышах. И пока их не удалось повторить в исследованиях с участием людей, о воспроизводимости говорить рано. Однако мозжечок считается одной из самых древних структур головного мозга. У разных видов позвоночных он устроен похожим образом, а значит, шансы, что у людей гранулярные клетки также участвуют в работе системы вознаграждения, довольно велики.