4322
Тут будет складываться и рассказываться все хорошее, что мне попадается из neuroscience. @tandeloff
Визуализация МРТ мозга в дополненной реальности через новый Apple Vision Pro
x.com/Medivis_AR/status/1754885154152054907
Мозговые механизмы принятия решения у человека
Вебинар МГППУ, на котором выступят сотрудники МЭГ-центра Борис Чернышев (руководитель центра), Галина Козунова и Кристина Пульцина:
Тема: Новые данные о внутреннем конфликте при переключении между стратегиями использования и исследования
13 февраля (вторник)
Начало в 18:00
• Как человек принимает решения в вероятностной среде?
• Что происходит, когда человек переходит от использования знакомых решений к исследованию малознакомых рискованных опций?
• Как человек воспринимает результат своего исследовательского выбора в вероятностной среде?
Статьи в открытом доступе по теме вебинара:
B.V. Chernyshev, K.I. Pultsina, V.D. Tretyakova, A.S. Miasnikova, A.O. Prokofyev, G.L. Kozunova, T.A. Stroganova. Losses resulting from deliberate exploration trigger beta oscillations in frontal cortex? Frontiers in Neuroscience. 2023. 17: 1152926 https://doi.org/10.3389/fnins.2023.1152926
G.L. Kozunova, K.E. Sayfulina, A.O. Prokofyev, V.A. Medvedev, A.M. Rytikova, T.A. Stroganova, B.V. Chernyshev. Pupil dilation and response slowing distinguish deliberate explorative choices in the probabilistic learning task. Cognitive, Affective, & Behavioral Neuroscience. 2022. 22(5): 1108–1129 https://doi.org/10.3758/s13415-022-00996-z
К.Э. Сайфулина, Г.Л. Козунова, В.А. Медведев, А.М. Рытикова, Б.В. Чернышев. Принятие решения в условиях неопределенности: стратегии исследования и использования. Современная зарубежная психология. 2020. 9(2): 93–106 https://psyjournals.ru/journals/jmfp/archive/2020_n2/Sayfulina_et_al
Подробности и регистрация: https://mgppu.ru/project/35/news/13779
🔬 The Development of Spatial Cognition and Its Malleability Assessed in Mass Population via a Mobile Game
Shan Xu et al in Psychological Science vol. 34(3) (2023.01)
DOI: 10.1177/09567976221137313
@nexus_search
Габапентиноиды - лиганды alpha-2-delta, которые применяются в клинической практике при нейропатической боли и эпилепсии, с популярным офф-лейбл назначением при тревожности.
В СНГ используются три габапентиноида - заграничные габапентин с прегабалином и фенибут, разработанный в отдельно взятой стране. Габапентин и прегабалин селективны и высокоаффинны, фенибут - неселективный и низкоаффинный. Помимо alpha-2delta, фенибут так же связывается с ГАМК-Б метаботропным рецептором.
Оказывается, габапентиноиды являются непрямыми NMDA-антагонистами, и это отвечает за их эффекты, а не модуляция тока кальция через потенциал-зависимые кальциевые каналы (voltage-gated calcium channels), как ранее предполагалось, и об этом хочется рассказать немного подробнее.
alpha-2-delta - белок-модулятор потенциал-зависимых кальциевых каналов, белок-шаперон, помогающий сформироваться всему белковому комплексу кальциевого канала. Кальциевые каналы участвуют в переводе электрической нейротрансмиссии в химическую - находящий потенциал действия провоцирует открытие каналов, приток кальция в цитозоль приводит к синхронизированному выбросу нейромедиатора в синапс.
Модуляция alpha-2-delta увеличивает количество кальциевых каналов на мембране пресинапса и улучшает их функциональные свойства. Габапентиноиды связываются с альфа-2-дельта, тем самым негативно модулируя VGCC. Естественным было бы предположить, что эффективность габапентина опосредуется влиянием на пресинаптический кальций и на релиз нейротрансмиттеров. Проблема этой гипотезы в том, что нокаут a2d не снижает ток кальциевых каналов, да и сам габапентин не влияет на кальциевые токи и не снижает на VGCC-опосредованный выброс нейромедиатора.
Однако a2d связывается не только с кальциевыми каналами, но и с рядом других белков, и именно нарушение этого взаимодействия более значимо.
alpha-2-delta биндится и усиливает токи через NMDA, и в этом участвует по меньшей мере два механизма. Во-первых, связанные с a2d NMDA-рецептлры лучше транспорируются и закрепляются на мембране. Во-вторых, когда NMDA связан с a2d, с первого слетает магниевая заглушка.
Габапентиноиды работают с сенситизацией разного рода, мешая гиперэкспрессии NDMA на постсинаптической мембране в разных местах - в спинном мозге в моделях нейропатической боли, в головном мозге - PVN гипоталамуса в моделях вызванной диабетом гипертензии, в VTA при гипералгезии вызванной морфином, в формировании долговременной потенциации, суть памяти. Участвует и синапсах между корой и стриатумом (в модели индуцирования LTP через тета-стимуляцию) и на синапсах в амигдале в моделях социального стресса.
В перечисленных моделях повторяется схожий сценарий. Сначала повреждением спинного мозга, хроническим стрессом, морфином или просто обучением провоцируется усиления синапсов, апрегулируется alpha-2-delta белок, что приводит к росту NMDA на постсинапсе. Нокаут a2d, нарушение связывание NMDA с a2d или габапентин нормализуют NMDA-активность и тем самым нормализуют патологическое состояние, облегчая нейропатическую боль, гипералгезию, гипертензию в соответствующих моделях. Можно предположить, что прегабалин и фенибут будет действовать аналогично нокауту a2d и габапентину, правда, тут нужно помнить про низкую аффинность фенибута - именно низкая аффинность мешает ему быть хорошим антиконвульсантом, хотя оставляет его анксиолитиком. Таким образом, габапентиноиды являются непрямыми NMDA-антагонистами и блокируют избыточную активность NMDA-рецепторов.
Представьте, что перед вами несколько игровых автоматов, каждый из которых имеет свою вероятность выигрыша. У вас ограниченное количество кредитов, позволяющих сыграть и проверить каждый из автоматов. Вы сыграли несколько игр и исследовали часть машин. Кредитов осталось меньше. Теперь вы можете выбрать исследование неизвестных автоматов в надежде, что среди них есть еще более выгодный или продолжить играть на самом выгодном автомате из тех, которые вы уже исследовали.
Эта проблема называется "задача о многоруком бандите" en.wikipedia.org/wiki/Multi-armed_bandit
Мозгам нужно уметь решать задачу о многоруком бандите. Вопрос: как именно они ее решают? Как происходит переключение между исследованием и использованием?
По умолчанию мозг направлен на выбор наиболее выгодного варианта. В случае искусственного интеллекта можно реализовать исследование при обучении с подкреплением, добавив неопределенность в вычисления выгодности вариантов.
В работе из neuron показали, что ровно так же реализуется исследование в мозге. Ученые проследили за отдельными нейронами frontal eye field обезьян в то время, как животные переключались между стратегиями исследования и использования.
Нейроны FEF пространственно селективны и надежно предсказывают будущий выбор и направление зрительного внимания. Будучи связанной как со зрительными областями, так и с мышцами глаз, FEF точно приписывает салиенс (ru.wikipedia.org/wiki/Салиентность) разным пространственным точкам.
Сами вычисления салиенса и будущего выбора FEF получает из высокоуровневых фронтальных областей (PFC, ACC).
Например, если вы сидите в гостях рядом с фруктовой тарелкой, PFC и ACC займутся выбором желаемого на основе предыдущей истории подкреплений ("всю жизнь люблю ананасы", "в прошлый раз отравился", "яблоки неплохо сочетаются со сладким"), а FEF примет результаты вычислений и направит внимание на конкретный фрукт.
Отслеживание активности нейронов FEF показало, что в режиме использования нейроны FEF точно кодируют возможные варианты, и чем выгоднее вариант, тем чаще зажигается соответствующий нейрон. При переходе к режиму исследования нейроны FEF теряют и пространственную селективность, и способность предсказывать выбор. Получившийся шум в обработке информации приводит к выбору неизвестных, но потенциально более выгодных источников подкрепления.
Exploration Disrupts Choice-Predictive Signals and Alters Dynamics in Prefrontal Cortex, Neuron, 2018
Также с исследованием связана самая фронтальная из фронтальных областей, фронтополярная кора. Она обрабатывает информацию об альтернативных стратегиях поведения, см. t.me/neuroscience_plus/161
Сегодня - про то, как рабочая память человека меняется с возрастом.
Рабочая память (working memory) - название систем, отражающих способность мозга фиксировать и обрабатывать информацию «здесь и сейчас» для выполнения требовательных задач. Удержание в сознании нового номера телефона, мысленная арифметика, ежедневные умственные рассуждения («чтобы собраться на встречу, мне нужно…») - все эти функции опираются на рабочую память.
Key points работ:
- оба типа рабочей памяти - вербальный и визуально-пространственный - наиболее производительны между 30 и 39
- у визуально-пространственной рабочей памяти пик производительности раньше
- чем более активна работа с информацией, тем больше нагрузка на рабочую память: способность к запоминанию цифр номера телефона поддерживается дольше, чем способность их суммированию
- до 50-55 лет отличие в производительности рабочей памяти от пиковой остается в пределах половины стандартного отклонения. Это немного: например, сравнивая с распределением мужского роста, такое отклонение соответствует потере 3.5 см с пиковой производительности к 50-60 годам. Согласно мета-анализам линк1 линк2, эффект физических упражнений у людей старшего возраста сопоставим по размеру (effect size около 0.3 - и тем больше, чем хуже базовая производительность).
По известной модели, рабочую память можно разделить на три взаимодействующие подсистемы:
1. фонологическую петлю, в которой на временных интервалах порядка секунд хранятся слова. Эта подсистема используется для внутренней речи. Интересно, что чем лучше работает эта подсистема, тем более последовательна, красноречива и доходчива устная речь человека - потому что, пока произносится начало предложения, вербальная рабочая память обрабатывает смысловые и стилистические особенности окончания предложения;
2. visuo-spatial sketchpad - внутренняя белая доска, пространство для представления и манипулирования зрительными образами и фигурами;
3. центральный управляющий элемент, который согласует работу двух других подсистем на основе логики, текущих целей (с их приоритетом - при плохой работе этого компонента возникают сложности различения приоритетных и второстепенных задач). переключение между стратегиями решения умственных задач, фильтр нерелевантной информации (aka селективное внимание), поиск паттернов, являются функцией центрального элемента рабочей памяти согласно этой модели. Это по-существу все «когнитивные» исполнительные функции (executive functions).
Есть прикольная теория за авторством R. Barkley о том, что рабочую память можно понимать как интернализацию направленных вовне действий или процессов - в случае рабочей памяти, зрительного внимания и устной речи (видео за его же авторством по теме: Youtube). Сначала ребенок учится направлять внимание на объекты окружающего мира, а затем развивает способность направлять внимание на внутренние образы. Действительно, целенаправленное слежение глазами нарушает способность воссоздавать образы в воображении, но при этом речевые задачи не мешают одновременно держать в уме зрительный образ. Вращательные движения рукой нарушают манипуляцию воображаемыми фигурами (mental rotations) в уме, которая, в свою очередь, сопровождается движениями глаз. Вербальная рабочая память, согласно этой теории, развивается как интернализация изначально направленной на людей устной речи.
Таким образом, рабочая память меняется с возрастом. После 20 ее производительность сначала медленно растет, достигая пика около 30 лет, после чего падает: сначала медленно, а затем заметно быстрее. Такая динамика свойственна и другим системам, сложность организации которых одновременно делает их производитьными и склонными к распаду (нетематический link).
Непрямой NMDA-антагонизм является основным, но не единственным механизмом действия габапентиноидов. alpha-2-delta белок мешает внутриклеточному формированию типичных гетеромерных AMPA-рецепторов - и, как следствие, увеличивает плотность кальций-проводимых AMPA-рецепторов на постсинапсе. Дело в том, что обычный AMPA-рецептор одновременно включает субъединицы GluA1 и GluA2, и не проводит кальций. При нейропатической боли и другой дезадаптивной пластичности происходит переключение композиции AMPAR - растет число AMPA-рецепторов без GluA2-субъединицы. Такие рецепторы проводят кальций, что превращает AMPA-рецептор в подобие NMDA-рецептора - и в некоторых случаях это приводит к эксайтотоксичному стрессу в нейроне в моделях стресса, БАР, аддикции, эпилепсии, психогенной гипертензии.
Переключение AMPA в режим проводимости кальция, вкупе с параллельным увеличением числа NMDA-рецепторов, которые тоже проводят кальций, приводит к повышению внутриклеточного кальция и сохранению и усугублению пластичности, провоцирующей нейропатическую боль.
Подобный переход к большей кальций-провидимости является примером мета-пластичности - не столько обучения самого по себе, сколько перехода системы в более пластичное состояние.
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(18)30189-X
https://jpet.aspetjournals.org/content/374/1/161
https://doi.org/10.1038/nature11033
https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.2012.07895.x
https://doi.org/10.1074/jbc.ra118.003977
https://doi.org/10.1113%2FJP276394
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211124721007944 - про Ca-проницаемые AMPA.