За любопытство отвечают нейроны из неопределенной зоны промежуточного мозга

Рис. 1. Набор предметов, которые ученые подкладывали в вольер к мышам, чтобы посмотреть, насколько они заинтересуются ими и что они будут с этими предметами делать. Таким способом ученые попытались «измерить» любознательность. Зелеными рамками обведены предметы, которые могли двигаться (при помощи магнитика, которым экспериментатор водил под дном вольера). Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Нейробиологи из Нидерландов исследовали природу любопытства — чувства, которое толкает к исследованию нового, к познанию окружающего мира. Они показали, что этот врожденный инстинкт, — а любопытство, подобно утолению голода, является инстинктом — обслуживается нейронами, идущими из предлимбической коры к промежуточному мозгу, а точнее — к медиальной части так называемой неопределенной зоны. Там формируется поверхностный или глубокий уровень интереса к новому объекту. При глубоком интересе к объекту далее активируются латеральные зоны серого вещества в среднем мозге. Данные части мозга составляют базис для организации столь важного для выживания инстинкта — интереса к познанию нового. Удовлетворение этого интереса (а теперь мы знаем, что это означает возбуждение медиальной части неопределенной зоны промежуточного мозга) приносит удовольствие. Так что узнавание и исследование нового — это инстинкт, доставляющий радость.

Любопытство — интерес к новому — присуще всем млекопитающим в той или иной степени, особенно у молодых особей. У человека, в отличие от других животных, любопытство часто сохраняется на протяжении всей жизни, а у шимпанзе, например, оно в большой степени утрачивается уже в возрасте одного года. Любопытство толкает на поиск и исследование новых объектов и обстановок, даже если это сопряжено с риском. Считается, что тяга к познанию нового служит необходимым элементом обучения — чем выше любознательность, тем выше обучаемость. Очевидно, что любопытный и отважный индивид будет в среднем лучше приспособлен для жизни в изменчивых условиях, чем боязливый консерватор. Но подобные интуитивные представления о любознательности не устраивают ученых — им нужно понимать подоплеку этого качества.

Что обусловливает любознательность — врожденный инстинкт со своим запрограммированным нейронным каскадом или же культурная или иная традиция? Большинство ученых склоняется к версии врожденного поведенческого паттерна и считают, что интерес к новым объектам — это инстинкт в той же степени, что чувство голода или охотничий инстинкт. Животные начинают исследовать новый объект даже в том случае, если это не сулит им никакой выгоды и связано с риском. Мыши, даже если они голодные и хотят пить, с высокой вероятностью выберут незнакомый объект, чем пищу и еду (D. E. Berlyne, 1950. Novelty and curiosity as determinants of exploratory behavior). Просто потому, что у них в мозгу имеется «контур любопытства» и он может переиграть голод и жажду. Про этот «контур» мало что известно, хотя, конечно, любопытно узнать, что такое любопытство.

Этот пробел в наших знаниях постарались заполнить специалисты из Нидерландского института нейробиологии в Амстердаме. Руководили проектом Александр Хеймел (J. Alexander Heimel) и Мехран Ахмадлу (Mehran Ahmadlou). Специалисты из их группы работали на лабораторных мышах, применив широкий спектр методик: они задействовали поведенческие эксперименты, оптогенетику, хемогенетику, волоконную фотометрию, мультиканальную физиологию и in situ РНК-гибридизацию (см. In situ hybridization). И все это — для того, чтобы выяснить, какие части мозга работают при встрече с новым объектом (включая пищевые и социальные), какие при этом возбуждаются нейронные контуры и какие выделяются нейромедиаторы. Иначе говоря, как в мозге организован врожденный интерес к миру.

На первом этапе были проведены поведенческие эксперименты. Их цель состояла в том, чтобы выявить типовое поведение, мотивированное именно любопытством, а не поиском пищи, агрессией или просто желанием поразмяться. Для этого подопытное животное помещали в вольер, куда подкладывали сначала знакомый ему объект, а затем заменяли его на что-нибудь новенькое (рис. 1). Через 10 минут и этот предмет убирали и давали новый, еще через 10 минут операцию повторяли. Из этой серии замен ученым удалось вычленить реакцию именно на новый объект, отбросив сопутствующие виды поведения.

Исследовательское поведение мыши начиналось с приближения к объекту, затем мышка его обнюхивала. После этого она в 65% случаев теряла к нему интерес и начинала заниматься своими делами. Такое поверхностное исследование занимало не больше секунды. Но в 35% случаев мышка продолжала действия с новым объектом: пыталась его куснуть, схватить, перетащить или боязливо отходила прочь (как это происходило, можно посмотреть на видео из дополнительных материалов к обсуждаемой статье). Эти действия продолжались уже 25–30 секунд. Данный тип поведения ученые назвали глубоким интересом в противовес краткому поверхностному интересу.

Рис. 2. Итоги поведенческих экспериментов. Ученым удалось выявить типовую последовательность действий, связанных с повышенным интересом к новому объекту: подойти, обнюхать, укусить, схватить и унести, а иногда отбежать. Суммарное время манипуляций со знакомым объектом в течение 10 минут измерений составило не больше 40 секунд, а с незнакомым — больше 100 секунд. На графиках внизу показаны два примера поведения при поверхностном (Shallow Event) интересе и глубокой (Deep Event) заинтересованности новым объектом. Важно, что при глубоком интересе животное от обнюхивания переходит к дальнейшим действиям, а при поверхностном — останавливается на этом. Рисунки из обсуждаемой статьи в Science и из дополнительных материалов к ней

Определив, таким образом, поведенческую последовательность повышенного любопытства (глубокого интереса), ученые перешли к изучению его репрезентации в мозге. Нужно было понять, какие участки мозга и какие нейроны возбуждаются при данном типе поведения. В этом им помогла оптогенетика (подробнее об этой методике можно почитать здесь).

Все внимание ученые сфокусировали на так называемой неопределенной зоне мозга (НЗМ). Она находится в субталамической области промежуточного мозга. Функции этой зоны мозга в точности не известны. Однако предполагают, что НЗМ включена в организацию различных мотиваций. Например, было показано, что возбуждение ростральной части этой зоны вызывает активный пищевой поиск, то есть заведует пищевой мотивацией. Так что если любопытство является мотивацией того или иного поведения, то имеет смысл сосредоточиться именно на НЗМ в промежуточном мозге. В НЗМ мышей с помощью инъекций вводили специально устроенный фоторецептор (каналродопсин-2, см. Channelrhodopsin), который возбуждается, если на него посветить. Этот фоторецептор встраивался в тормозящие ГАМК-нейроны. Точечные инъекции в медиальную часть НЗМ, возбужденную затем светом, вызывали увеличение исследовательской активности — такие мыши существенно чаще, чем в контроле проявляли глубокий интерес к новым предметам. Если деактивировать ГАМК-нейроны в НЗМ (выключить свет или химически подавить их активность), то интерес к новым предметам у мышей пропадает.

Важно подчеркнуть, что речь идет о любых новых объектах — неподвижных и подвижных предметах, о подвижных и неподвижных пищевых объектах. Более того, правила поведения при поверхностном и глубоком интересе проявляются сходным образом и в отношении незнакомых сородичей, подсаженных в клетку. Интерес к ним тоже обусловлен активацией тормозящих нейронов НЗМ. Если деактивировать эти нейроны (а это было проделано), то мышка теряет всякий интерес к новым соседям. Таким образом, определилась главная арена, где разыгрывается любопытство — медиальная часть НЗМ с тормозными ГАМК-нейронами.

Методом кальциевой фотометрии удалось подтвердить, что зона НЗМ действительно возбуждается при предъявлении нового объекта, но еще больше она возбуждается, когда животное приступает к его глубокому исследованию. При поверхностном исследовании уровень возбуждения гораздо ниже. Это общее возбуждение не имеет ничего общего с тревогой или страхом, напротив, возбуждение медиальной части НЗМ для мыши, по-видимому, приятно. Если мышь с оптоволокном в медиальной части НЗМ поместить в камеру, где одна половина освещена светом нужной длины волны, то мышь предпочтет находиться именно там, а не во второй половине камеры с обычным светом (рис. 3). Кроме того, если позволить мыши нажимать на кнопку, активирующую оптоволокно в НЗМ, то она будет все время нажимать на эту кнопку. Так что активный интерес к миру доставляет удовольствие, по крайней мере, мышам.

Рис. 3. Локализация мышей в камере без специального освещения (справа) и в камере с таким освещением. Частота нахождения мышей в определенном месте камеры показана цветовой шкалой. Видно, что мыши стремятся туда, где свет через вшитое оптоволокно возбуждает у них НЗМ. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

НЗМ получает возбуждающий сигнал из медиальной части префронтальной коры (точнее, из ее предлимбической области). Без этого сигнала мыши безразличны к новому, именно он побуждает животное к началу исследований. Однако ученым не удалось выявить никаких различий во входящем сигнале при глубоком и поверхностном исследовании. Видимо, этот сигнал модулируется в НЗМ как-то еще.

Аксоны нейронов из медиальной части НЗМ идут в средний мозг, в латеральную часть центрального серого вещества (рис. 4). При исследовательских действиях эта область демонстрирует резкое возбуждение, но, как подчеркивают ученые, только при глубоком интересе к новым объектам. Поверхностный интерес не сопровождается возбуждением в данной области. Если это возбуждение специальным образом убрать, то остается лишь поверхностный интерес. Значит, перед нами тот участок мозга, который опосредует именно повышенный интерес к новому. Удалось даже выяснить, какие именно нейроны играют в этом процессе основную роль — ими оказались нейроны, выделяющие нейромедиатор тахикинин (tachykinin).

Рис. 4. Слева — схема нейронного контура, участвующего в организации исследовательского поведения. Сигнал от органов чувств идет в кору мозга, в частности — в предлимбическую зону (PL) префронтальной коры. Нейроны этой области переносят возбуждение в промежуточный мозг, в неопределенную зону (Zim, синяя линия). И при поверхностном, и при глубоком интересе активация нейронов на этом участке пути сходная (показаны графики возбуждения Ca-каналов). В НЗМ активируются тормозные нейроны, при этом активация выше, когда животное проявляет повышенный уровень интереса к новому объекту (тоже показаны графики возбуждения Ca-каналов). Из НЗМ нейроны отправляют сигналы в центральное серое вещество (PAG) среднего мозга (красная линия). Эта зона возбуждается уже только при глубоком интересе животного к предъявленному объекту. Справа — уточняющая схема организации нейронного «контура любопытства»: показано участие нейронов, посылающих проекции в центральное серое вещество среднего мозга; эти нейроны экспрессируют нейромедиатор тахикинин-2. Рисунки из обсуждаемой статьи в Science

По-видимому, переход к глубокому исследованию от поверхностного требует возбуждения тахикининовых нейронов выше какого-то порогового уровня.

Обсуждаемая статья огромная. Каждый ее этап заслуживает отдельной статьи и специального разбора. Каждый из примененных методов требует специальных навыков, понимания конкретики молекулярных процессов и творческой смелости, чтобы разобраться в колоссальном количестве новой информации. Наградой ученым стала не только публикация в журнале Science, но, я надеюсь, чувство удовлетворения от проделанной работы и осознания, что кусочек самой масштабной на свете мозаики, каковой является работающий мозг, положен на свое место. Любопытство — врожденный инстинкт, следование ему — узнавание нового — приносит радость и удовольствие. И не случайно — ведь познание нового важно для животного, так как этот процесс помогает лучше приспособиться к существованию в меняющемся мире. А необходимые для выживания адаптации должны быть приятными. Неопределенная зона мозга в промежуточном мозге и центральное серое вещество в среднем мозге играют основную роль в организации этого важного инстинкта. Это хорошее начало для последующих исследований любопытства. Хорошо бы выяснить, что и каким образом побуждает животного перейти от поверхностного узнавания к глубокому исследованию. Ведь нам важно не столько знание, сколько глубина понимания.

Источник: Mehran Ahmadlou, Janou H. W. Houba, Jacqueline F. M. van Vierbergen, Maria Giannouli, Geoffrey-Alexander Gimenez, Christiaan van Weeghel, Maryam Darbanfouladi, Maryam Yasamin Shirazi, Julia Dziubek, Mejdy Kacem, Fred de Winter, J. Alexander Heimel. A cell type–specific cortico-subcortical brain circuit for investigatory and novelty-seeking behavior // Science. 2021. DOI: 10.1126/science.abe9681.

Елена Наймарк