Как мозжечок учится на собственных ошибках

Чтобы оценить масштаб ошибки, нейроны мозжечка используют серии импульсов разной длительности.

Когда мы учимся ездить на велосипеде, или бросать мяч в баскетбольную корзину, или просто кидать дротики в мишень для дартс, то поначалу совершаем массу ошибок: мышцы напрягаются не там, где нужно, и не так, как нужно, руки и ноги делают лишние движения и т. д.

Однако при должном усердии все налаживается: с велосипеда мы уже не падаем, мяч попадает в корзину, а дротики – в десятку; то есть мозг делает выводы из неудач и корректирует свои команды мышцам. Поскольку главным центром, контролирующим движения, является мозжечок, то очевидно, что он и анализирует всю массу неправильных действий, связанных с обучением новым двигательным навыкам. Но что при этом происходит в его нейронах?

Едва ли не самые главные клетки в мозжечке – так называемые клетки Пуркинье, которые по сравнению со многими другими типами нейронов устроены весьма сложно: их отростки очень сильно ветвятся и формируют огромное число межнейронных контактов. Также известно, что клетки Пуркинье общаются друг с другом двумя видами импульсов.

Есть импульсы, соответствующие какому-то ожиданию от выполняемого действия, и есть импульсы, которые сигнализируют, что ожидания не оправдались, что случилась ошибка – что мы попали мячом не в сетку, а по тренеру. И довольно долго нейробиологи, стараясь расшифровать язык клеток Пуркинье, изучали их поодиночке.

Однако несколько лет назад исследователи из Университета Джонса Хопкинса выяснили, что наблюдать нужно не за отдельными клетками, а за группами числом примерно по полсотни клеток каждая. Нейроны в таких группах все вместе генерируют предсказательный сигнал относительно какого-то определенного движения (как бы пытаясь понять, будет ли движение правильным) и все получают один и тот же сигнал об ошибке, если таковая случилась.

В новой статье, опубликованной в Nature Neuroscience, те же исследователи рассказывают, как импульсы в клетках Пуркинье (точнее, в группах клеток) меняются в зависимости от выполняемых действий. Макак резуса учили следить за фигурой, движущейся по экрану монитора; чтобы обезьяны время от времени ошибались, цель на экране заставляли двигаться быстрее, чем обычно, так что макаки упускали ее из виду.

Оказалось, что импульсы, которые соответствуют предугадыванию движений, в среднем появляются с частотой 50–70 раз в секунду, притом они становятся тем чаще, чем быстрее приходилось двигать глазами. Импульсы ошибки вели себя иначе: их частота всегда была одинаковой, но в зависимости от того, насколько сильно ошиблась обезьяна, менялась их длительность. То есть если взгляд оказывался не очень далеко от той цели, за которой надо было следить, сигналы ошибки продолжались 100 миллисекунд, если же взгляд падал далеко от цели, то сигналы длились 120 миллисекунд. Можно сказать, что величина ошибки кодировалась временем, потраченным на серию импульсов.

Кроме того, удалось выяснить, что при выполнении задания мозжечок как бы разбивает его на множество частей, и за каждую часть отвечает отдельная группа клеток Пуркинье. Например, если взгляд упал влево от цели, то ошибку заметит одна группа, а если вправо, то другая. Это позволяет обойтись без многократного переписывания памяти при обучении: исправляя ошибку «слева», мозжечку не надо вмешиваться в ячейки памяти, которые помнят о том, что происходит справа – все действия и все ошибки расставлены по своим местам.

Учась на собственных ошибках, мозжечок постепенно делает все более и точные предсказания относительно движений, и сами движения становятся все более точными. Правда, пока остается непонятным, как предсказательные импульсы превращаются в сигналы, которые отправляются к мышцам. Так или иначе, чем больше мы будем знать о том, как работает мозжечок, тем скорее поймем, что нам делать с разнообразными двигательными расстройствами, врожденными или приобретенными, возникающими из-за травм головы или в результате психоневрологических болезней.

Кстати, стоит напомнить, что функции мозжечка не ограничиваются только лишь управлением мышцами; мы уже как-то писали том, что он связан с творчеством, и что от него зависят некоторые симптомы аутизма. Так что не исключено, что та же схема обучения на собственных ошибках работает и в отношении других когнитивных процессов, к которым имеет отношение наш «маленький мозг».