В работе, опубликованной в журнале Cell Reports, ученые описали нейронные механизмы, которые отвечают за избирательное обучение мозга. Ученые идентифицировали специфические нейронные связи, которые особенно чувствительны к процессу изучения причинности.
Как мозг понимает, что действительно важно, а на что можно не обращать внимания
Исследователи из Университета Карнеги-Меллон обнаружили специфические нейронные связи, которые особенно чувствительны к процессу изучения причинных связей. Команда выяснила, что мозг избирательно реагирует только на значимые ассоциации, игнорируя бесполезную информацию.
Обучение с подкреплением. Unsplash
Воспоминания о важных событиях, связанных с обучением, например, о первом штрафе за превышение скорости, гораздо более четкие по сравнению с воспоминаниями о повседневных событиях, например, о том, что вы ели на ужин две недели назад. Мозг старается оптимизировать свою работу и действует крайне избирательно. Но механизмы этой избирательности еще недостаточно изучены.
Команда изучала поведение мышей при трех различных сценариях поведения, используя их как модель процессов обучения в мозге. В одной группе мыши всегда получали вознаграждение после стимула в виде потока воздуха на усы. Во второй группе вознаграждение давалось не всегда. В третьей группе мыши получали вознаграждение без какого-либо определенного стимула.
У тех групп, где вознаграждение было случайным, мыши быстро научились игнорировать стимул, и в нейронных сетях не происходило никаких изменений. Это означает, что мозг каким-то образом может различать, есть ли полезная ассоциация для формирования или учиться здесь нечему.
«Мы наблюдали изменения в мозге только тогда, когда что-то было действительно полезным», — отмечает соавтор работы Юнсол Парк. — «Если нечему было учиться, изменений не было».
Нейронная перестройка
Мыши учатся ассоциировать стимул и вознаграждение.
Исследование показало, что связи между особыми типами нейронов перестраиваются и усиливаются только в том случае, когда опыт был значимым. Это — соматостатиновые нейроны (они производят важный гормон и нейромедиатор — соматостатин) и их синапсы с определенным типом пирамидальных нейронов. Эти нейроны расположены в сенсорной коре — части мозга, которая есть не только у мышей, но и у других животных, например, у коров и собак, и у человека. Это означает, что открытие помогает понять, как обучаются многие животные (хотя поставить прямой эксперимент на мозге человека будет довольно проблематично).
Торможение соматостатиновых нейронов на пирамидальных нейронах (L2/3 Pyr) снижается после одного дня тренировок, и синапс усиливается.
«Это показывает, что наш мозг очень чувствителен к вещам, которые имеют смысл», — комментирует работу соавтор исследования Элисон Барт.
Открытие подтверждает интуитивное понимание того, как работает обучение, но впервые предоставляет научные доказательства на нейронном уровне. Исследование демонстрирует, что мозг особенно эффективно выделяет причинно-следственные связи, которые могут быть полезны для выживания и адаптации.