Ваш мозг обрабатывает мир вокруг вас почти мгновенно, но между светом, падающим на сетчатку глаза, и моментом, когда вы начинаете осознавать, что перед вами, проходит множество молниеносных шагов. У людей есть три десятка различных областей мозга, ответственных за понимание визуального мира, и ученые до сих пор не знают многих деталей того, как работает этот процесс.
«На очень высоком уровне мы хотим понять, почему нам вообще нужно иметь несколько визуальных областей в нашем мозгу», – сказал Джош Сигл, доктор философии.D., Помощник исследователя в программе MindScope Института Аллена. "Чем специализируется каждая из этих областей, а затем как они взаимодействуют друг с другом и синхронизируют свою деятельность, чтобы эффективно направлять ваше взаимодействие с миром?"
В новом исследовании Зигл и другие исследователи MindScope Сяосюань Цзя, доктор философии.D., Старший ученый; Шон Олсен, Ph.D., Младший следователь; и Кристоф Кох, Ph.D., Главный научный сотрудник возглавил группу исследователей, чтобы выяснить некоторые из этих деталей.
Команда Института Аллена обратилась к мыши, чей мозг размером с бобу до сих пор невероятно сложен. Мышиное зрение отличается от нашего – например, они в большей степени полагаются на другие органы чувств, чем мы, – но нейробиологи полагают, что они все еще могут изучить многие общие принципы обработки сенсорной информации, изучая этих животных.
Используя нейропиксели, кремниевые зонды высокого разрешения, тоньше человеческого волоса, которые считывают активность сотен нейронов одновременно, команда создала общедоступный набор данных электрических всплесков примерно от 100000 нейронов в мозгу мыши.
Мало того, что этот набор данных является самой большой коллекцией электрической активности нейронов в мире, но и каждый эксперимент в базе данных собирал информацию от сотен клеток мозга из восьми различных визуальных областей мозга одновременно. Одновременное считывание электрической активности в разных областях мозга позволило ученым отслеживать визуальные сигналы в режиме реального времени, когда они передаются от глаз мыши к более высоким областям ее мозга.
Исследователи обнаружили, что визуальная информация проходит через мозг по «иерархии», в которой нижние области представляют более простые визуальные концепции, такие как свет и тьма, а нейроны наверху иерархии улавливают более сложные идеи, такие как форма объектов.
«Исторически люди изучали одну область мозга за раз, но мозг не является посредником в поведении и познании только в одной области», – сказал Олсен. «Мы узнаем, что мозг работает посредством взаимодействия областей и сигналов, посылаемых из одной области в другую, но технические ограничения не позволяли нам глубоко изучить это в прошлом. Нам действительно нужно было интегрированное представление, которое предоставляет этот набор данных, чтобы понять, как это работает."
Отслеживание моделей движения мозга
Исследование Neuropixels основано на предыдущем исследовании Института Аллена, в котором была нанесена на карту электрическая схема мозга мыши, физические связи, создаваемые пучками аксонов между многими различными областями мозга.
С помощью данных из Атласа подключений мозга Аллена Мауса, это исследование проследило тысячи связей внутри и между таламусом и корой, самой внешней оболочкой мозга млекопитающих, которая отвечает за функции более высокого уровня, включая обработку визуального мира.
Если данные о подключении похожи на дорожную карту мозга, то набор данных Neuropixels сродни отслеживанию моделей трафика в мозгу, сказал Кох. Несмотря на то, что сигналы в мозге перемещаются из одной области в другую за доли секунды, зонды достаточно чувствительны, чтобы обнаруживать очень незначительные временные задержки, которые позволяют ученым в реальном времени составлять карту маршрута, который визуальная информация проходит в мозгу. Сравнивая данные Neuropixels с данными о подключении, ученые могут получить более четкое представление о том, как информация движется по нейронным дорогам.
«Это как если бы мы пытались отобразить, как города связаны между собой, наблюдая за движением автомобилей по дороге», – сказал Кох. «Если мы увидим машину в Сиэтле, а затем через несколько часов мы увидим ту же машину в Спокане, а затем, намного позже, мы увидим машину в Миннеаполисе, тогда у нас возникнет идея, что соединение из Сиэтла в Миннеаполис должно проходить через Спокан на путь."
Как и дороги в стране, схема разводки мозга – это не простая структура. Между двумя областями мозга и даже двумя соседними областями существует множество различных параллельных связей. И, как наша система межгосударственных автомагистралей, магистралей и дорог меньшего размера, мозг имеет более сильные и более слабые связи.
Простого знания физической карты недостаточно, чтобы предсказать маршрут визуальной информации.
Исследователи смогли сопоставить сигналы в иерархии, используя временные задержки, которые они наблюдали в нейронной активности между различными областями мозга. Они также использовали другие меры для подтверждения иерархии, включая размер поля зрения, на которое реагирует каждый нейрон. Клетки ниже по иерархии настроены на меньшие части визуального мира животного, в то время как нейроны более высокого уровня реагируют на более крупные области визуального пространства, предположительно потому, что эти клетки интегрируют больше информации обо всей картине перед животным.
Критический процесс
Ученые зафиксировали нейронную активность, когда животные просматривали разные фотографии и простые изображения, а также у мышей, обученных реагировать на изменение изображения перед их глазами, облизывая крошечный водяной смерч. Они увидели, что информация перемещается в мозгу по одному и тому же иерархическому пути в обеих ситуациях. Когда мышей обучили реагировать на визуальные изменения, их зрительные нейроны также изменили свою активность, а клетки, расположенные выше по иерархии, показали еще большие изменения.
Ученые даже могли определить, просто взглянув на нейронную активность, успешно ли определенное животное обнаружило изменение в изображении.
И если исследователи выключили все источники света, не давая животным никакой визуальной информации, многие из тех же зрительных нейронов все еще активировались, хотя и медленнее, но порядок потока информации был потерян. Это может означать, что иерархия необходима для обработки визуальной информации, но животные используют одни и те же клетки для других целей в другой цепи.
Хотя подобные детальные эксперименты на людях невозможны, исследования, посвященные общей активности мозга, выявили подобную иерархию – и изменения в активности мозга – в частях нашего мозга, ответственных за обработку звука и изображения. Нейробиологи считают, что этот тип иерархической обработки используется во всем мозгу для понимания многих аспектов окружающего мира, а не только того, что мы видим.
"Мы знаем, что наша способность создавать согласованные представления об объектах, которые мы видим, является критически важным процессом для выживания. Наш мозг фактически выделил от 30 до 50% коры только для визуальной обработки, – сказал Цзя. «Наше исследование предполагает, что эта иерархическая обработка визуальной информации также имеет значение или важно для животного."