Успех в командной работе: новое исследование показывает, как клетки мозга фильтруют информацию в группах

Успех в командной работе: новое исследование показывает, как клетки мозга фильтруют информацию в группах

Открытие Солка может помочь лучше понять, как нейроны работают вместе в сетях, формируя наше восприятие мира.

LA JOLLA — Когда мы воспринимаем окружающий мир, одни объекты кажутся более заметными, чем другие, в зависимости от того, что мы делаем. Например, когда мы смотрим на поросшую лесом гору издалека, лес выглядит как большой зеленый ковер. Но по мере приближения мы начинаем замечать отдельные деревья, и лес отходит на второй план. Что происходит в мозгу, когда наш опыт так резко меняется?

На протяжении десятилетий ученые, изучающие зрительную систему, считали, что отдельные клетки мозга, называемые нейронами, действуют как фильтры. Некоторые нейроны предпочитали бы грубые детали визуальной сцены и игнорировали бы мелкие детали, в то время как другие поступали бы наоборот. Считалось, что каждый нейрон выполняет свою собственную фильтрацию.

Новое исследование, проведенное учеными Института Солка, ставит под сомнение эту точку зрения. Исследование показало, что одни и те же нейроны, предпочитающие грубые детали, могут измениться, чтобы предпочесть более мелкие детали в разных условиях. Работа, появившаяся в журнале Нейрон 31 декабря 2018 года, может помочь лучше понять нейронные механизмы, формирующие наше восприятие мира.

«Мы пытались заглянуть под капот и выяснить, как работают эти фильтры», — говорит профессор. Томас Олбрайт, директор Центра нейробиологии зрения Солка и старший автор исследования.

«Считалось, что избирательность нейронов стабильна, но наша работа показала, что фильтрующие свойства нейронов гораздо более гибкие, чем считалось ранее», — добавляет первый автор исследования Амбариш Павар, научный сотрудник Солка.

Команда сосредоточилась на нейронах зрительной коры в модели животных. Животным показывали оптические узоры, в которых исследователи меняли контраст между темными и светлыми областями и измеряли предпочтения нейронов в отношении грубых и мелких деталей. Цель состояла в том, чтобы увидеть, как нейроны обрабатывают эти паттерны, особенно в средней височной области мозга в зрительной коре. Ученые ожидали обнаружить, что нейроны строго «настроены» воспринимать либо грубые, либо мелкие детали, но не то и другое вместе. Вместо этого они обнаружили, что отдельный нейрон может фильтровать как мелкие, так и грубые детали, в зависимости от контрастности рисунка.

Измеряя скорость активации нескольких нейронов, активируемых оптическими стимулами, исследователи показали, что такая гибкость была бы более вероятной, если бы целые сети нейронов действовали как фильтры, а не отдельные нейроны.

«Наши результаты показывают, что ранее распространенное описание отдельных нейронов как фильтров было неверным», — говорит Сергей Гепштейн, ученый из Центра нейробиологии зрения в Солке и соавтор нового исследования.

«Предпочтение нейронов может измениться из-за изменения баланса положительных (возбуждающих) и отрицательных (тормозящих) сигналов, с помощью которых нейроны общаются в сети», — добавляет Павар.

Исследователи показали, что объединение сетей нейронов с высокой степенью гибкости в их предпочтениях может легко адаптировать и настроить мозг на меняющиеся условия, так же как вы можете настроить радио, чтобы получить хороший прием во время вождения.

«Мы открыли новое измерение адаптивности корковых сетей, — говорит Гепштейн. — Наши результаты ясно показали, что для понимания этой адаптивности нам необходимо переосмыслить, что представляют собой вычислительные единицы мозга. Это команда связанных нейронов — гибкая нейронная сеть больше подходит в качестве такой единицы, чем отдельного нейрона».

«Это неожиданное открытие может помочь нам пролить свет на нейронные механизмы, лежащие в основе огромной способности мозга приспосабливаться к постоянно меняющейся среде», — говорит Павар.

Олбрайт добавляет, что «хотя исследование было сосредоточено на зрительной системе, такое же гибкое качество нейронных сетей, вероятно, справедливо и для других частей мозга».

Теперь, когда они увидели адаптируемые нейронные сети в действии, исследователи планируют изучить, как изменения в этих сетях влияют на поведение.

Сергей Савельев из Университета Лафборо также является автором этой статьи.

Работа финансировалась Национальным институтом глаз Национального института здравоохранения (NEI; R01 EY018613), основным грантом NEI для исследований зрения (P30 EY019005), семейным фондом GemCon и Конрадом Т. Пребисом.