Орбитофронтальная кора (OFC) - это область в лобной доле мозга, которая, как известно, участвует в принятии решений и обработке информации. Латеральная часть этой области мозга, известная как lOFC, была определена как область, особенно важная для создания так называемых "когнитивных карт".

Когнитивные карты - это ментальные представления о мире, которые, как считается, направляют поведение человека. Хотя прошлые исследования связывали lOFC с использованием мозгом этих карт, до сих пор неясно, создает ли он эти карты или просто использует их при необходимости.

Исследователи из Национального института по злоупотреблению наркотиками в Балтиморе и Института биологической кибернетики имени Макса Планка недавно провели исследование, посвященное этим двум гипотезам, в надежде лучше понять функции lOFC. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Neuroscience, свидетельствуют о том, что латеральный OFC непосредственно участвует в составлении когнитивных карт.

За последние 20-30 лет исследования, проведенные в нескольких лабораториях, включая нашу, показали, что активность нейронов в латеральной OFC кодирует важные переменные, связанные с "когнитивными картами", или ментальными моделями структуры внешнего мира", - рассказал Medical Xpress доктор Каук Мачадо Коста, один из исследователей, проводивших исследование.

Было также показано, что поражение или инактивация этой области может нарушить поведение, которое опирается на такие карты, то есть поведение, основанное на "моделях", например, умозаключения о взаимосвязях между несвязанными элементами на основе предыдущего опыта. В связи с этим было выдвинуто предположение, что lOFC вносит вклад в поведение, непосредственно представляя или "обращаясь" к когнитивным картам во время принятия решений".

За последнее десятилетие или около того некоторые нейронаучные исследования собрали доказательства того, что lOFC нарушает поведение, управляемое когнитивными картами, только если необходимо рассмотреть и включить в эти карты новую информацию. Это позволяет предположить, что lOFC также участвует в обновлении когнитивных карт, а не ограничивается их "чтением".

Мы назвали это предложение "гипотезой картографа", поскольку она предполагает, что lOFC действительно "пишет" когнитивные карты", - пояснил доктор Коста. "Наше исследование началось как проверка этой гипотезы. Мы рассудили, что если lOFC необходим для обновления карт, то он также будет иметь решающее значение для создания новых карт во время первоначального обучения новой ассоциации, т.е. для создания новой когнитивной карты".

Чтобы проверить достоверность так называемой "гипотезы картографа" в экспериментальных условиях, доктор Коста и его коллеги наблюдали за взрослыми крысами, которые выполняли задание, в котором их поведение могло быть направлено на логические умозаключения. В этом задании крысы сначала учились ассоциировать различные звуки (т.е. слуховые сигналы) с определенными вкусовыми гранулами.

Например, крыса могла слышать белый шум в течение десяти секунд, а затем получить гранулу со вкусом бекона через доступную чашку с едой. Впоследствии она может услышать сирену в течение десяти секунд, а затем таким же образом получить гранулу со вкусом банана.

"В течение нескольких представлений, или испытаний, нормальные крысы научатся ассоциировать конкретные звуки с конкретными связанными с ними результатами, и мы измерили это обучение, посмотрев на предвкушение входа в чашку с едой, когда крысы слышали звуковые сигналы", - сказал доктор Коста.

"Главная фишка нашего исследования заключается в том, что во время первоначального построения ассоциативной карты мы инактивировали lOFC в одной группе крыс, которую можно было сравнить с контрольной (без инактивации), используя обратимый, минимально инвазивный подход, называемый хемогенетикой".

Используя хемогенетику - метод избирательного контроля активности определенных нейронов в мозге с помощью дизайнерских препаратов, исследователи нарушили активность lOFC в то время, когда крысы, как предполагалось, создавали новую когнитивную карту, и наблюдали за их поведением. Если бы гипотеза картографа была верна, доктор Коста и его коллеги ожидали бы, что в испытаниях, проведенных после вмешательства в работу lOFC, крысы будут использовать поведенческие стратегии "без модели", поскольку их мозг не сможет создать когнитивную карту.

"После этой начальной фазы, когда lOFC снова "включилась", мы научили крыс испытывать неприязнь к одному из видов гранул, сочетая определенный вкус гранул с инъекциями LiCl, что вызывает у крыс чувство тошноты", - сказал доктор Коста. Это заставляет крыс перестать есть именно этот тип гранул, который, как говорят, "обесценивается", но не другой, который не был связан с ощущением болезни. После того, как они прошли через это, мы провели пробный сеанс, где мы предъявляли только звуковые сигналы, и измерили реакцию крыс на чашку с едой".

Чтобы надежно проверить свою гипотезу, доктор Коста и его коллеги сравнили поведение крыс, на которых они воздействовали с помощью хемогенетики, с поведением крыс, мозг которых во время обучения функционировал нормально. Они обнаружили, что крысы, не получившие хемогенетического вмешательства, были способны использовать свой опыт, чтобы делать умозаключения, которые направляли их поведение при решении задачи.

В частности, эти крысы проводили ассоциации между звуками и получаемыми ими гранулами и научились избегать "плохих" гранул, от которых их тошнило. Таким образом, они начинали подходить к чашке с едой в первую очередь после того, как слышали звук, ассоциирующийся с безобидной гранулой, в то время как они редко подходили к чашке с едой после того, как слышали звук, сопровождающий гранулу, которую они ассоциировали с болезнью.

"Крысы, у которых lOFC была инактивирована во время первоначального обучения, реагировали на сигнал, связанный с обесцененной гранулой, в той же степени, что и на сигнал, связанный с неоцененной гранулой, что свидетельствует о том, что lOFC действительно важна для создания первоначальной карты", - пояснил доктор Коста.

"Однако, к нашему большому удивлению, вместо того, чтобы просто продолжать реагировать на сигналы, как будто девальвации не произошло, чего можно было бы ожидать от стратегии обучения без модели, крысы обобщили девальвацию и снизили реакцию на оба сигнала. Это позволило предположить, что формируется некая модель, но эта модель была несколько деградирована по сравнению с моделью, сформированной контрольной группой".

Доктор Коста и его коллеги использовали вычислительное моделирование, чтобы показать, что наблюдаемое ими обобщенное поведение избегания лучше всего объясняется селективным дефицитом в присвоении кредитных ассоциаций, специфических для результата, когда крысы учились решать задачу. Другими словами, крысы с неактивной lOFC все еще были способны строить когнитивные карты, но эти карты были недостаточно хороши, чтобы помочь им различать конкретные звуковые сигналы и вкус гранул.

Следует отметить, что крысам не нужно было учить эту специфическую ассоциацию, и они действительно могли "решить" задачу, просто предположив, что любой звук ведет к ценному вознаграждению", - сказал д-р Коста. "Это говорит о том, что основная роль lOFC в этом процессе заключается во включении информации высокого разрешения в когнитивные карты, возможно, особенно тех, которые не имеют непосредственного значения для решения поставленной задачи".

Результаты, полученные этой группой исследователей, являются дополнительным доказательством гипотезы картографа, предполагая, что lOFC играет ключевую роль в составлении когнитивных карт. Однако они также показывают, что блокирование активности в lOFC не полностью нарушает поведение, основанное на модели, а скорее мешает крысам включать в когнитивные карты все аспекты задачи, которую они учатся выполнять.

"В целом, теперь кажется, что lOFC наиболее важна для включения, или обновления, информации, связанной с конкретной идентичностью предсказанных результатов", - сказал доктор Коста. "Это представляет собой новую и более тонкую гипотезу о функции lOFC и о том, как мозг анализирует информацию при изучении структуры реальности".

Результаты, полученные доктором Костой и его коллегами, могут вдохновить на разработку новых теоретических моделей, которые лучше представляют роль lOFC в составлении когнитивных карт. Поскольку многие психические расстройства связаны с аномалиями lOFC, включая шизофрению, ОКР и расстройства, связанные с употреблением психоактивных веществ, полученные результаты также могут помочь лучше понять эти расстройства и их нейронные основы.

"Наши результаты открывают возможность для нового толкования роли lOFC в этих патологиях, а также дисфункционального поведения пациентов с такими диагнозами, которое может быть интерпретировано как результат создания нарушенной когнитивной карты", - добавил доктор Коста.

"Теперь мы продолжим исследовать ограничения гипотезы картографа, а также проверим предсказания нашей новой гипотезы, включая то, что функция lOFC должна быть критической для нового обучения только тогда, когда есть необходимость включить различные типы информации для понимания задачи, особенно те, которые не являются полезными сразу, но потенциально могут быть применены в будущем".