Щоб оцінити масштаб помилки, нейрони мозку використовують серії імпульсів різної тривалості.
Коли ми вчимося їздити на велосипеді, або кидати м'яч у баскетбольний кошик, або просто кидати дротики в мішень для дартс, то спочатку робимо масу помилок: м'язи напружуються не там, де потрібно, і не так, як потрібно, руки і ноги роблять зайві рухи тощо.
Однак при належній старанності все налагоджується: з велосипеда ми вже не падаємо, м'яч потрапляє в кошик, а дротики - в десятку; тобто мозок робить висновки з невдач і коригує свої команди м'язам. Оскільки головним центром, що контролює рухи, є мозочок, то очевидно, що він і аналізує всю масу неправильних дій, пов'язаних з навчанням новим руховим навичкам. Але що при цьому відбувається в його нейронах?
Чи не найголовніші клітини в мозочку - так звані клітини Пуркіньє, які порівняно з багатьма іншими типами нейронів влаштовані досить складно: їх відростки дуже сильно гіллються і формують величезну кількість міжнейронних контактів. Також відомо, що клітини Пуркіньє спілкуються один з одним двома видами імпульсів.
Є імпульси, що відповідають якомусь очікуванню від виконуваної дії, і є імпульси, які сигналізують, що очікування не виправдалися, що трапилася помилка - що ми потрапили м'ячем не в сітку, а по тренеру. І досить довго нейробіологи, намагаючись розшифрувати мову клітин Пуркіньє, вивчали їх поодинці.
Однак кілька років тому дослідники з Університету Джонса Хопкінса з'ясували, що спостерігати потрібно не за окремими клітинами, а за групами числом приблизно по півсотні клітин кожна. Нейрони в таких групах всі разом генерують передбачувальний сигнал щодо якогось певного руху (як би намагаючись зрозуміти, чи буде рух правильним) і всі отримують один і той же сигнал про помилку, якщо така трапилася.
У новій статті, опублікованій в Nature Neuroscience, ті ж дослідники розповідають, як імпульси в клітинах Пуркіньє (точніше, в групах клітин) змінюються залежно від виконуваних дій. Макак резусу вчили стежити за фігурою, що рухається по екрану монітора; щоб мавпи час від часу помилялися, ціль на екрані змушували рухатися швидше, ніж зазвичай, так що макаки втрачали її з виду.
Виявилося, що імпульси, які відповідають передбаченню рухів, в середньому з'являються з частотою 50-70 разів на секунду, притому вони стають тим частіше, чим швидше доводилося рухати очима. Імпульси помилки поводилися інакше: їх частота завжди була однаковою, але в залежності від того, наскільки сильно помилилася мавпа, змінювалася їх тривалість. Тобто якщо погляд виявлявся не дуже далеко від тієї мети, за якою треба було стежити, сигнали помилки тривали 100 мілісекунд, якщо ж погляд падав далеко від мети, то сигнали тривали 120 мілісекунд. Можна сказати, що величина помилки кодувалася часом, витраченим на серію імпульсів.
Крім того, вдалося з'ясувати, що при виконанні завдання мозочок як би розбиває його на безліч частин, і за кожну частину відповідає окрема група клітин Пуркіньє. Наприклад, якщо погляд впав ліворуч від мети, то помилку помітить одна група, а якщо вправо, то інша. Це дозволяє обійтися без багаторазового переписування пам'яті при навчанні: виправляючи помилку «ліворуч», мозочку не треба втручатися в комірки пам'яті, які пам'ятають про те, що відбувається праворуч - всі дії і всі помилки розставлені по своїх місцях.
Навчаючись на власних помилках, мозочок поступово робить все більш і точні передбачення щодо рухів, і самі рухи стають все більш точними. Правда, поки залишається незрозумілим, як передбачувальні імпульси перетворюються на сигнали, які відправляються до м'язів. Так чи інакше, чим більше ми будемо знати про те, як працює мозочок, тим швидше зрозуміємо, що нам робити з різноманітними руховими розладами, вродженими або придбаними, що виникають через травми голови або в результаті психоневрологічних хвороб.
До речі, варто нагадати, що функції мозку не обмежуються лише керуванням м'язами; ми вже якось писали те, що він пов'язаний з творчістю, і що від нього залежать деякі симптоми аутизму. Тож не виключено, що та сама схема навчання на власних помилках працює і щодо інших когнітивних процесів, до яких має відношення наш «маленький мозок».