Ученые сделали значимый прорыв, обнаружив, что нейромедиаторы в мозге пчел могут предсказать их способность к обучению еще до начала процесса ассоциирования запаха с вознаграждением. Исследователи из Института биомедицинских исследований Фралина идентифицировали химические паттерны в мозге, которые определяют, насколько быстро насекомое будет учиться, либо же не будет учиться вовсе. Это открытие имеет глубокие последствия для понимания механизмов обучения не только у пчел, но и у людей.
Результаты исследования, опубликованные в издании «Science Advances», показывают, что баланс между октопамином и тирамином устанавливает темп обучения. Удивительно, но эти же нейромодуляторные системы влияют на внимание и память и у человека, что делает пчел ценной моделью для изучения сложных биологических процессов.
Отличительные химические паттерны проявляются до начала обучения и вновь возникают, когда формируется выученное поведение, демонстрируя, как нейромедиаторы регулируют внимание и укрепляют память у пчел. Динамика этих веществ меняется в зависимости от сезона, питания и роли пчелы в улье, что позволяет им адаптироваться к изменяющимся условиям и оптимизировать скорость и гибкость обучения.
Мультидисциплинарная команда из Института биомедицинских исследований Фралина при Технологическом институте Вирджинии в Кэриллионе (США) впервые выявила шаблоны химической активности мозга, способные предсказывать, с какой скоростью каждая пчела формирует новые ассоциации. Это дает ключевую информацию о биологии обучения и принятии решений. Поскольку эти же нейромедиаторы управляют вниманием и обучением у людей, результаты исследования могут помочь объяснить, почему люди учатся с разной скоростью и как эти процессы нарушаются при различных расстройствах мозга.
«Обучение — это непрерывный процесс. Эти данные указывают на то, что мозг пчелы может быть «настроен» на разную скорость или типы обучения в зависимости от активности нейромодуляторных систем, в частности октопамина и тирамина», – отмечает Пол Сэндс, соавтор исследования. По его словам, динамика этих нейромедиаторов устанавливает «тон» того, как будет развиваться обучение по мере того, как пчела переходит в различные состояния. Метод, сочетающий нейронауку и машинное обучение, позволил ученым в реальном времени изучать сложную химию мозга, открывая путь к мониторингу специфических сигнальных молекул в мозге живых, активных существ, включая человека.
Исследовательская группа под руководством Рида Монтегю из Института Фралина, в сотрудничестве с Брайаном Смитом из Университета штата Аризона, изучает, как пчелы распознают запахи и вознаграждения. Их работа вдохновлена исследованиями покойного нейробиолога Мартина Хаммера, который значительно продвинул понимание нейронных механизмов памяти и обучения у насекомых. Пчелы, с их короткой продолжительностью жизни, должны быстро адаптироваться к изменениям в окружающей среде. «Пчела не может родиться, зная, что ей нужно для поиска цветов и сбора нектара и пыльцы. Эта пчела должна быть машиной для обучения. Она должна быть готова забыть то, что выучила вчера, и выучить что-то новое сегодня», – поясняет Смит.
Модель, разработанная Монтегю, демонстрирует, что пчелы учатся посредством последовательных предсказаний, ведущих к вознаграждению. «У пчел есть сложные системы для этого, – утверждает Монтегю. – Они могут использовать эти системы для принятия осторожных или рискованных решений». Эти результаты согласуются с экспериментальными наблюдениями, подтверждая точность модели.
Древние мозговые химические вещества, связанные с зависимостью, депрессией и дефицитом внимания у людей, также регулируют обучение у пчел. «Это очень, очень древние эволюционные системы, которые до сих пор присутствуют в нашем мозге», – подчеркивает Монтегю.
Медоносные пчелы быстро формируют ассоциации между запахами и вознаграждениями, что делает их идеальной моделью для изучения обучения. Исследователи измеряли «реакцию вытягивания хоботка», когда пчела вытягивает свой пищевод после того, как узнает, что запах предсказывает сахар. Было обнаружено, что пчелы делятся на способных обучаться и неспособных, и что скорость обучения тесно связана с ранним сигналом и силой октопамина и тирамина, даже до того, как запах был сопоставлен с сахаром. «Это было не только забавным и сложным инженерным достижением, но и замечательно было наблюдать, насколько сложными были эти существа и как быстро некоторые из них учились», – отмечает Сет Баттен.
Результаты показывают, что взаимодействие между октопамином и тирамином регулирует чувствительность и продолжительность обучения. «С точки зрения биомедицины понимание нейронных сетей дает нам представление о том, как функционируют более крупные мозги», – говорит Смит. Исследование также имеет значение для сельского хозяйства, поскольку «большая часть нашего производства зависит от пчел и их опыления». Этот фундаментальный прорыв в понимании нейробиологии обучения у пчел обещает новые перспективы для медицины и сохранения экосистем.
