Обучение с помощью проб и ошибок, дающее позитивный или негативный опыт, известно, как подкрепленное обучение. Индивиды могут выучить новое поведение в недружественном окружении путем испытаний и запоминания сенсорных сигналов или с помощью действий, приводящих к хорошим и плохим исходам.

Нейробиологи знают. что часть переднего мозга, наз. базальными ганглиями, играет важную роль в подкреплении обучения. Большая часть базальных ганглиев, striatum, состоит из переплетений двух типов тканей: стриосом (striosome) и матрикса. Однако, хотя они были открыты 30 лет тоу назад, характерные роли этих регионов оставались загадкой.

Теперь исследователи из Neural Computation Unit at the Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) использовали последнюю технологию optical neural imaging, чтобы изолировать и записать активность нейронов в стриосомах, пролив свет на роль стриосомальных нейронов в закреплении обучения.

Нейробиологи уже давно подозревали, что нейроны стриосом участвуют в предсказании, когда последствие стимула будет позитивным, процесс, наз. reward prediction. Это обусловлено тем, что эти нейроны соединены с нейронами среднего мозга, которые продуцируют важный химический сигнал, наз. dopamine, который регулирует наградой мотивированное поведение в головном мозге позвоночных.

"Предчувствие награды (Reward prediction) является важным в нашей повседневной жизни," говорит Kenji Doya, "напр., когда вы находите ваше любимое блюдо на выставке или в меню, вы можете почувствовать возбуждение, даже ещё не попробовав блюдо и сделать соотв. выбор."

Роль стриосомальных нейронов в предчувствии награды (reward prediction) не было подтверждено, поскольку их организация в головном мозге делает затруднительным отличать их и записывать их активность. "Стриосомальный нейроны составляют только 15% от полосатого тела (striatum) и они распределены мозаично внутри него, что затрудняет их изоляцию," объясняет Tomohiko Yoshizawa.

Исследователи из OIST преодолели эту проблему, используя специальную технику получения изображений и технологию манипуляции с генами. Они работали с трансгенными мышами, экспрессирующими специфические гены только в стриосомальных нейронах. Гены, кодирующие индикаторы кальция, которые светятся в флуоресцентном свете, если нейроны становятся активными. Получение изображений глубоких регионов головного мозга, таких как striatum ранее нуждалось в удалении большой области головного мозга, выше этой области. Однако, используя новый эндоскопический микроскоп, разработанный побочной компанией Stanford University, которая использовала тонкие стеклянные палочки в качестве линз, исследователи смогли записать активность стриосомальных нейронов с минимумом повреждений. Используя эту технику получения изображений на трансгенных мышах, они оказались способны наблюдать стрисомальный нейроны в течение длительного периода и измерять их активность, поскольку мыши были созданы для осуществления определенных целей.

С этой целью ученые воздействовали на мышей 4 разными пахучими веществами: банан, лимон, корица и мяты. Каждый запах оказался связанным со специфическим исходом -- уйма воды (a big reward), мало воды (a small reward), дуновение воздуха в лицо (a negative reward) или ничего. Мыши начинали лакать струю воду, поскольку они ожидали воду в качестве награды в ответ на специфический запах, даже если вода уже была доступна.

Исследователи показали, что как только мыши заучивали задачу, то стриосомальные нейроны возбуждались более активно в ответ на сигналы запаха, ассоциированные с потребностью воды, это означало, что они активно привлекались стимулами, обещающими желательный исход. Эти активности были пропорциональными ожидаемым последствиям -- ожидание более крупной награды, запускаемое более значительной реакцией в нейронах.

Путем измерения активности стриосомальных нейронов каждый день в течение нескоьких недель, ученые обнаружили, что эти клетки головного мозга наиболее активны на ранних стадиях обучения, приблизительно после одной недели, или во время поздних стадий, примерно спустя две недели. Это означает, что прогностические активности стрисомальных нейронов являются стадио-специфическим обучением.

Стриосомальный нейроны были также активны, когда вода или дуновение воздуха присутствовали в действительности. Это означает, что помимо передачи сигналов об ожидаемой награде, они также передают информацию об действительных наградах.

"Необходимо обучение множества исследуемых мышей из-за мозаичного расположения стриосом и матрикса в обеих половинках головного мозга одной и той же мыши," говорит Yoshizawa.

Понимание специфической роли стриосомальных нейронов однажды поможет исследователям диагностировать и лечить нарушения, вызываемые проблемами передачи сигналов в этом регионе головного мозга, таких как болезнь Гентингтона.