Исследователи идентифицировали специальную группу нервных клеток, которая способствует продолжению работы над задачей, даже когда затраты энергии возрастают. Клетки, производящие орексин, демонстрировали повышенную активность в ожидании результата и интенсифицировали свою деятельность по мере усложнения испытания. Когда функция этих нейронов была подавлена, животные выполняли работу менее эффективно и быстрее сдавались в попытке получить вознаграждение.

Орексин – это нейрохимическое вещество, через которое нервные клетки обмениваются информацией. Источником его производства являются нейроны, находящиеся в подбугорье мозга, которые участвуют в поддержке сознательного состояния, регулировании голода и распределении ресурсов организма. Ранее установлено, что орексиновая система задействована в поиске вознаграждения, однако её значение в сохранении целеустремленности при растущих сложностях оставалось неизученным.

Снижение мотивационного уровня сопровождает множество психических расстройств, включая депрессию, нарушение концентрации внимания, зависимости и иные патологии. Человек может осознавать поставленную цель и желать её достичь, но испытывает затруднения при начале действий или моментально теряет волю при возникновении первых сложностей. Для понимания механизма этого явления учёные отследили, как трансформируется функциональность орексиновых клеток в процессе выполнения испытаний за получение пищи.

Исследование проводилось на крысах благодаря их способности быстро усваивать сложные последовательности движений. На протяжении долгого времени избирательное управление отдельными категориями нейронов у этих зверьков считалось сложной технической задачей. Для текущего исследования был создан специально отобранный генетический штамм orexin-Cre, предоставляющий возможность направленного воздействия исключительно на клетки-производители орексина.

Вначале применялся метод хемогенетики, где в целевые клетки встраиваются разработанные искусственно молекулярные рецепторы, которые впоследствии активируются определённым химическим агентом. Прочие нервные клетки остаются при этом неповреждёнными. Благодаря этому подходу исследователи имели возможность усиливать функционирование орексиновой системы и отслеживать изменения в поведении подопытных животных.

Животные находились перед интерактивным монитором и были обучены выбирать определённый участок экрана для получения еды. Число требуемых нажатий систематически увеличивалось после каждого вознаграждения. Вначале задача была элементарной, но постепенно сложность возрастала.

Такое испытание называется тестом с нарастающей сложностью. Ключевым параметром служит граница отказа, то есть предел работы, которую животное согласно выполнить ради награды. Больший показатель означает, что крыса продолжает действовать дольше при растущих требованиях.

Усиление функции орексиновых клеток расширяло границу отказа. Животные были готовы выполнить большее количество действий для получения следующей награды и проявляли большую выносливость. Для крыс с функционально повреждёнными орексиновыми нейронами наблюдался противоположный результат: они прекращали деятельность скорее.

Затем исследователи наблюдали нервные клетки в режиме реального времени используя метод волоконной флуоресцентной спектроскопии. Данный подход позволяет фиксировать колебания светового сигнала внутри конкретной популяции нейронов у активно передвигающихся животных. Интенсивность сигнала меняется параллельно с интенсивностью деятельности клеток, что позволяет исследователям отметить моменты усиления нейронной активности.

Орексиновые нейроны наиболее активно реагировали на ожидание вознаграждения. Уровень активности увеличивался после завершения действия в предвкушении еды, а после получения награды быстро падал. При отсутствии ожидаемого вознаграждения повышенный уровень сохранялся дольше. Мозг поддерживал напряженное ожидание даже после неудачной попытки.

Интенсивность сигнала также коррелировала со сложностью задачи. Когда количество требуемых действий возрастало, орексиновые клетки активировались интенсивнее в предчувствии награды. Такой механизм может связывать представление о будущем результате с объёмом требуемых усилий.

Простого наблюдения недостаточно, поскольку возрастание активности могло сопутствовать целенаправленным действиям, но не управлять ими напрямую. Для выяснения причинно-следственной связи применялась оптогенетика – технология с использованием чувствительных к свету белков для управления выбранными нейронами в строго определённые моменты.

При отключении орексиновых клеток во время ожидания награды крысы медленнее справлялись с тестами и раньше отказывались продолжать. Подобный эффект достигался путём блокирования первого типа орексиновых рецепторов. Данные результаты подтвердили, что надлежащее функционирование орексиновой системы необходимо для поддержания действий, направленных на достижение вознаграждения.

Попытка чрезмерно активировать нейроны оптическим стимулированием не привела к увеличению трудолюбия животных. Свет действительно активировал клетки, однако граница отказа не возросла. Орексиновая система, видимо, обеспечивает поддержку оптимального уровня мотивации, но просто повышение её деятельности сверх обычных показателей не создаёт безграничную стойкость.

Различие между ослаблением и усилением может быть связано с продолжительностью, ритмом и временем воздействия. Химическая активация работает продолжительнее, в то время как оптическое воздействие ограничено коротким периодом ожидания. Для орексиновых нейронов значимыми могут быть не только сила сигнала, но и его изменение в течение всего испытания.

Данные исследования не свидетельствуют о возможности повышения человеческой мотивации посредством прямого влияния на орексин. Работа проведена на животных и изучала поведение, связанное с пищевым вознаграждением. Полученные сведения объясняют базовый принцип, посредством которого мозг сравнивает ожидаемый результат с возрастающими энергозатратами.

Дальнейшие исследования будут сосредоточены на определении нейронных сетей, транслирующих орексиновым клеткам информацию о вознаграждении и сложности. Предстоит также установить, какие области мозга получают сигналы, поддерживающие упорную деятельность. Построение такой схемы поможет выяснить, почему при ряде психических расстройств человек сохраняет стремление к цели, но не способен долгосрочно действовать для её достижения.