Исследователи научили мышей управлять случайными всплесками дофамина в их мозге, что бросает вызов теориям вознаграждения и обучения

Недавно ученые обнаружили, что им удалось обучить мышей добровольно увеличивать размер и частоту, казалось бы, случайных дофаминовых импульсов в мозге. Традиционная мудрость в нейронауке гласит, что уровень дофамина изменяется исключительно в ответ на сигналы из внешнего мира. Новое исследование показывает, что повышение уровня дофамина может быть вызвано внутренними изменениями в мозге.

Дофамин - это небольшая молекула, которая содержится в мозге млекопитающих и связана с чувством награды и счастья. В 2014 году ученые изобрели новый метод измерения дофамина в режиме реального времени в различных частях мозга мышей. Используя этот новый инструмент, они обнаружили, что нейроны в мозге мышей выделяют большие всплески дофамина - так называемые импульсы - без видимых причин. Это происходит в случайные моменты времени, но в среднем примерно раз в минуту.

Павлов был знаменит тем, что смог приучить своих собак выделять слюну при звуке колокольчика, а не при виде пищи. Сегодня ученые считают, что звук колокольчика вызывал выброс дофамина, предсказывающего предстоящее вознаграждение. Если собаки Павлова могли контролировать свои дофаминовые реакции, основанные на сигналах, с помощью небольшого обучения, то нам стало интересно, могут ли наши мыши контролировать свои спонтанные дофаминовые импульсы. Чтобы проверить это, команда ученых провела эксперимент, в котором мышей вознаграждали, если они увеличивали силу своих спонтанных дофаминовых импульсов. Мыши смогли не только увеличить силу импульсов дофамина, но и частоту их возникновения. Когда ученые убрали возможность получения вознаграждения, дофаминовые импульсы вернулись к исходному уровню.

В 1990-х годах нейробиолог Вольфрам Шульц обнаружил, что мозг животного выделяет дофамин, если животное ожидает вознаграждения, а не только при его получении. Это показало, что дофамин может вырабатываться в ответ на ожидание вознаграждения, а не только на само вознаграждение - вышеупомянутая современная версия собаки Павлова. Но в обоих случаях дофамин вырабатывается в ответ на некий внешний сигнал. Хотя в мозге всегда присутствует небольшое количество случайного фонового дофаминового "шума", большинство исследований в области неврологии не рассматривали возможность случайных дофаминовых импульсов, достаточно больших, чтобы вызвать изменения в работе мозга и памяти.

Результаты опровергают идею о том, что дофаминовые сигналы детерминированы - производятся только в ответ на сигнал - и фактически опровергают некоторые фундаментальные теории обучения, в которых в настоящее время нет места для больших, случайных дофаминовых импульсов. Исследователи уже давно считают, что дофамин позволяет животным определять, какие сигналы могут направить их к вознаграждению. Часто для этого используется последовательность сигналов - например, животное может быть привлечено звуком текущей воды, который лишь позже приводит к вознаграждению в виде питья.

Наши наблюдения за спонтанными всплесками дофамина - не теми, которые происходят в ответ на сигнал - не вписываются в эту схему. Мы предполагаем, что большие спонтанные импульсы дофамина могут нарушить эти цепочки событий и ослабить способность животных связывать косвенные сигналы с вознаграждением. Способность активно влиять на эти всплески дофамина может стать для мышей механизмом минимизации этой предполагаемой проблемы в обучении, но это еще предстоит выяснить.

Ученым еще предстоит связать полученные в настоящее время результаты с участками мозга, в которых, как известно, дофамин подает сигналы. Что касается поведения - такого, как добыча корма или навигация по лабиринту в лаборатории - каково влияние спонтанных импульсов на способность к обучению? Заманчиво задаться вопросом, могут ли спонтанные импульсы действовать как ложное ожидание вознаграждения. Возможно, спонтанные импульсы дают животным надежду на то, что награда "где-то там". Мы планируем проверить, существует ли причинно-следственная связь между спонтанными импульсами дофамина и тем, что мыши отправляются исследовать окружающую среду. Наконец, неизвестно, помогают или мешают эти импульсы умственным способностям. Поскольку дофаминовые рецепторы в коре головного мозга - это те же рецепторы, которые чрезмерно экспрессируются при шизофрении, нам интересно, существует ли связь между спонтанными импульсами и психическим здоровьем.