Нейробиологи раскрывают новое понимание роли мозжечка в обучении

Недавние исследования выявили новую функцию мозжечка, бросив вызов давним предположениям о его роли в мозге. Традиционно признаваемый за его важность в движении и координации, мозжечок теперь также играет важную роль в процессах обучения. Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications.

Мозжечок расположен у основания черепа, чуть выше места соединения спинного мозга с головным. Хотя мозжечок составляет лишь около 10 процентов от общей массы мозга, он густо набит нейронами — здесь находится почти 80 процентов нейронов мозга.

Мозжечок был прежде всего известен своей решающей ролью в координации произвольных движений, поддержании равновесия и обеспечении надлежащего мышечного контроля. Его функция издавна была связана с физическим выполнением движений, помогая регулировать двигательную активность и обеспечивать плавность и координацию движений.

Однако недавние достижения в области нейробиологии позволяют предположить, что роль мозжечка может включать в себя более сложные когнитивные функции, чем моторный контроль. Эта более широкая потенциальная роль включает аспекты мышления, обучения и памяти — функции, исторически приписываемые другим частям мозга, таким как кора головного мозга.

Вдохновленные этими новыми открытиями, нейробиологи из Медицинской школы Питтсбургского университета и Колумбийского университета провели исследование, чтобы выяснить, как мозжечок помогает изучать новые задачи, основанные на вознаграждении. Их исследование было основано на гипотезе о том, что мозжечок может участвовать в формировании новых зрительно-моторных ассоциаций – связей между видением чего-либо и реакцией на определенное движение – которые подкрепляются вознаграждением.

«Давнее предположение о функции мозжечка заключалось в том, что он контролирует только то, как мы двигаемся. Но теперь мы знаем, что есть части мозжечка, которые связаны и, по-видимому, развивались одновременно с областями мозга, которые контролируют наше мышление», — сказала соавтор исследования Андреа Бостан, доцент кафедры нейробиологии Питта. . «Поскольку мозжечок использует информацию об ошибках для постепенного улучшения движений, была выдвинута гипотеза, что он вносит аналогичный вклад в когнитивные функции.

В ходе исследования обезьян обучали связывать определенные визуальные сигналы с определенными движениями рук, чтобы получить награду — глоток сока. Эта установка проверяла их способность формировать новые зрительно-моторные ассоциации или связи между тем, что они видят, и тем, как им следует двигаться. Исследователи сосредоточились на определенной области мозжечка, известной как заднелатеральный мозжечок, которая считается решающей для этого типа обучения.

Важнейший эксперимент заключался в временном отключении этой области мозжечка с помощью препарата, блокирующего нормальную нервную активность. Когда эта часть мозжечка была активна, обезьяны относительно быстро усваивали новые ассоциации между символами и движениями, обычно в течение 50–70 попыток. Однако когда область мозжечка была инактивирована, обучение значительно ухудшалось; это заняло гораздо больше времени и было менее эффективным, что позволяет предположить, что эта область мозга необходима для обработки вознаграждений, которые стимулируют обучение.

Интересно, что это нарушение было специфичным для изучения новых задач. Обезьяны по-прежнему хорошо справлялись с ранее изученными задачами, что позволяет предположить, что роль мозжечка в обучении связана с приобретением новой информации и навыков, а не с выполнением уже установленных навыков.

Кроме того, исследование показало, что инактивация других областей мозжечка не влияет на обучение, что подчеркивает, что не все части мозжечка участвуют в этом процессе. Эта специфика предполагает, что разные области мозжечка имеют разные функции и не всегда участвуют во всех типах обучения и движения.

Итак, «когда вы деактивируете эту область мозжечка, вы ухудшаете обучение», — сказал Бостан. «Это намного медленнее, повторных попыток намного больше, а производительность не достигает прежнего уровня». Это конкретный пример того, как мозжечок использует информацию о вознаграждении для формирования когнитивных функций у приматов.

Эти открытия являются новаторскими, поскольку они переопределяют наше понимание мозга, иллюстрируя его роль в когнитивных функциях, таких как обучение и память, которая выходит за рамки традиционной ассоциации с физическим движением. Это может иметь важные последствия для образовательных стратегий и подходов к реабилитации, связанных с дисфункцией мозжечка.

Это исследование показывает, что у людей с расстройствами мозжечка некоторые из проблем с обучением новым задачам могут быть связаны не только с трудностями физической координации, но и с нарушением обработки вознаграждения в мозжечке. Понимание этих механизмов открывает новые возможности для таргетной терапии, которая может улучшить обучение и адаптацию пострадавших людей.

«Наше исследование предоставляет четкие доказательства того, что мозжечок важен не только для обучения выполнению умелых действий, но и для обучения тому, какие действия наиболее ценны в определенных ситуациях», — сказал Бостан. «Это помогает объяснить некоторые немоторные трудности у людей с мозжечковыми расстройствами».