Обнаружение изменений в зрительных стимулах зависит от увеличения корковых спайков

By Ирина Волкова No comments

brain
Кредит: Pixabay/CC0 Public Domain

Как наш мозг переводит сигналы миллионов нейронов в осмысленное восприятие окружающей нас среды и помогает управлять нашим поведением? Попытка ответить на этот вопрос — непростая задача, но понимание связи между импульсными нейронами и нашим поведением не только даст представление о человеческом мозге, но и станет ключом к разработке новых и инновационных нейропротезных устройств.

Новое исследование, опубликованное в Journal of Neuroscience 11 сентября 2020 года, раскрыло один маленький кусочек этой головоломки. Изучая зрительное восприятие у мышей, исследователи из Чикагского университета обнаружили, что когда нейронные импульсы в первичной зрительной коре были усилены с помощью оптогенетической стимуляции, у мышей была улучшена способность обнаруживать изменения контраста во время задачи зрительного восприятия. Подавление пиков имело противоположный эффект. Эти результаты обеспечивают новое понимание некоторых основных правил того, как мозг обрабатывает и интерпретирует информацию, полученную от активности нейронов.

Этот проект был вдохновлен прошлыми исследованиями, посвященными изучению роли тормозных интернейронов в первичной зрительной коре (V1) во время задачи визуального восприятия. Исследователи использовали метод, называемый оптогенетикой, в котором используются крошечные светодиоды и генетически закодированные светочувствительные белки для активации определенных групп нейронов в мозге, что позволяет им напрямую активировать интернейроны для определения их влияния на поведение.

Стимуляция тормозящих интернейронов приводит к снижению скорости возбуждения пирамидных нейронов коры головного мозга, клеток, которые имеют решающее значение для получения и передачи сенсорной информации. На ранних стадиях корковой визуальной обработки эти нейроны кодируют очень базовую визуальную информацию, такую ​​как ориентация и цвет. При стимуляции этих тормозных интернейронов исследователи обнаружили, что скорость активации пирамидных нейронов снизилась, как и ожидалось, но были удивлены, заметив, что, несмотря на несколько дней и даже недель выполнения одного и того же теста, мыши никогда не могли использовать снижение активности пирамидных клеток. чтобы помочь им выполнить визуальную задачу.

«Это было действительно поразительное наблюдение», — сказал первый автор Джексон Коун, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Маунселла в Калифорнийском университете в Чикаго. «По какой-то причине мыши не могли научиться использовать этот тормозящий сигнал, что свидетельствует о незаметном снижении активности коры головного мозга. Если мы будем думать о мозге как о машине, оптимальная машина будет использовать как возбуждающие, так и тормозящие сигналы для понимания окружающей среды, кодирование информации в обоих направлениях. Наши данные показывают, что, когда вы уменьшаете активность в коре головного мозга, все, что считывает эту информацию ниже по потоку, не может обнаружить изменения. Но почему мозг игнорирует сигнал, который может быть полезен? «

Этот парадокс вдохновил команду исследовать этот феномен дальше, на этот раз путем непосредственной модуляции активности самих кортикальных пирамидных нейронов с помощью оптогенетики. Исследователи стимулировали кортикальные пирамидные нейроны, пока мыши выполняли задачу различения визуального контраста, и обнаружили, что стимуляция позволяет мышам лучше выполнять задачу.

Но поскольку эти пирамидные нейроны обычно имеют низкий базовый уровень активности, команде пришлось проявить творческий подход, чтобы выяснить, как они могут искусственно вызвать подобное уменьшение пиков, чтобы произвести этот тормозной сигнал. Они разработали новый подход, предполагающий медленное усиление оптогенетической стимуляции для адаптации мышей к новому, более высокому уровню активности пирамидных клеток. Оттуда они могут увеличивать или уменьшать стимуляцию и определять влияние изменения частоты всплесков на зрительное восприятие.

Как они и подозревали, они увидели, что подавление скачков в пирамидных нейронах коры приводит к ухудшению результатов при выполнении задачи визуального различения. Но почему эволюция создала систему, которая на первый взгляд кажется такой неэффективной?

Ученые предположили, что, возможно, это связано с метаболическими ограничениями мозга. «Мы думали, что, поскольку спайки являются энергетически дорогими, это окажет давление на мозг, чтобы свести к минимуму количество запускаемых им спайков», — сказал Коун. «Следствием этого будет то, что мозг имеет низкие показатели активности в состоянии покоя, и из-за этого возникает эффект пола; если базальная активность низкая, у вас не будет большого диапазона для кодирования информации ниже этого базового уровня».

Благодаря своему расположению в многопрофильном институте нейробиологии, количественной биологии и поведения человека им. Гроссмана, сотрудники лаборатории Маунселла вместе с исследователями из Лаборатории Фридмана смогли найти ответ на этот вопрос. Вместе команда разработала искусственную нейронную сеть для выполнения той же задачи, что и мыши, которых они изучали. Затем они наложили метаболические ограничения на искусственную сеть, которые будут наказывать систему каждый раз, когда она запускает спайк, аналогично расходу энергии, наблюдаемому с реальными спайками нейронов.

«Когда мы увеличили штраф за скачок, мы увидели меньшую базальную активность в модели, и с большей вероятностью она просто проигнорировала сокращение срабатывания», — сказал Коун. «Модель увидела, что в этих сигналах изначально содержится очень ограниченная информация, поэтому она начала игнорировать их, как и то, что мы видели у мышей».

Эти эксперименты показали, что кора головного мозга, похоже, контролирует поведение исключительно за счет увеличения активности клеток мозга из-за этих энергетических ограничений.

«Когда мы увеличили активность клеток в V1, мыши смогли легко обнаружить и использовать это изменение, но когда мы снизили активность клеток мозга еще в большей степени, животные не смогли обнаружить это изменение», — сказал старший автор Джон Маунселл, доктор философии, профессор нейробиологии Альберта Д. Ласкера и директор Института Гроссмана. «Это указывает на то, что мозг настроен исключительно на увеличение активности. Это умный подход, потому что большую часть времени ни одна из клеток не является очень активной, что может сэкономить много энергии. Мозг потребляет огромное количество энергии, около 20 процента всех калорий, которые мы потребляем, поэтому эта эффективность может иметь решающее значение «

Эти результаты помогут в будущих исследованиях того, как наш мозг кодирует и переводит визуальную информацию. «Эти данные позволили нам узнать намного больше о том, какая именно информация важна для мозга, когда дело доходит до обработки нейронных сигналов», — сказал соавтор Морган Бэйд, исследователь и руководитель лаборатории в лаборатории Маунселла. «Настоящее понимание того, как эти сигналы используются в самом фундаментальном смысле, будет важно для всех видов биомедицинских исследований в будущем, особенно когда речь идет об интерфейсах мозг-машина и нейропротезных устройствах».

В будущем команда планирует глубже изучить этот феномен, используя новые методы, в том числе двухфотонную микроскопию, чтобы контролировать активность более тонких групп клеток и различать реакцию на эти сигналы. «Естественные зрительные стимулы приводят к очень сложным паттернам активности мозга, и оптогенетические стимулы, которые мы использовали в этом исследовании, по сравнению с ними являются грубыми», — сказал Коун. «В конечном итоге наша цель — иметь возможность считывать активность нейронов и искусственно воспроизводить сигналы мозга в реальном времени, чтобы задавать точные вопросы о том, как мозг переводит активность нейронов в восприятие и действие».

Исследование озаглавлено «Мыши предпочтительно используют увеличение импульсов коры головного мозга для обнаружения изменений в зрительных стимулах»./p>

Добавить комментарий