Вы видите муку в кладовой, значит, вы тянетесь за ней. Вы видите, что сигнал светофора меняется на зеленый, и вы нажимаете на газ. Хотя связь между видением и последующим ответным движением проста и необходима для повседневного существования, нейробиологи не смогли выйти за рамки споров о том, где эта связь и как она создается. Но в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, команда Института обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте представила доказательства того, что одна важная область мозга, называемая задней теменной корой (PPC), играет важную роль в преобразовании зрения в действие.
«Видение на службе действия начинается с глаз, но затем эта информация должна быть преобразована в двигательные команды», - сказал старший автор Мриганга Сур, Пол Э. и Лайла Ньютон, профессор неврологии в Департаменте мозга. и когнитивные науки. «Это место, где начинается планирование».
Сур сказал, что исследование может помочь объяснить особую проблему у некоторых людей, перенесших черепно-мозговые травмы или инсульт, называемую «гемипространственное пренебрежение». В таких случаях люди не могут воздействовать или даже воспринимать объекты на одной стороне своего поля зрения. Их глаза и тела в порядке, но мозг просто не производит представления о том, что там есть что-то, что может вызвать действие. Некоторые исследования указывают на повреждение КПП в таких случаях.
В новом исследовании исследовательская группа точно определила роль PPC у мышей и показала, что он содержит смесь нейронов, настроенных на визуальную обработку, принятие решений и действия.
«Это делает PPC идеальным проводником для гибкого сопоставления сенсорных сигналов с двигательными действиями», - сказал Джеральд Фо, бывший аспирант лаборатории Sur, который сейчас работает в Гарвардском университете. Фо является соавтором с Майклом Гоардом, бывшим постдокторантом Массачусетского технологического института, ныне работающим в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре.
Мышь видит, мышь делает
Чтобы провести исследование, команда обучила мышей простой задаче: если они видят полосатый рисунок на экране, движущийся вверх, они могут лизнуть носик для жидкого вознаграждения, но если они видят, что полоски движутся в сторону, их не следует лизать, чтобы вместо этого не получилась горькая жидкость. В некоторых случаях они подвергались воздействию одних и тех же визуальных образов, но сопло не появлялось. Таким образом, исследователи могли сравнить реакцию нейронов на зрительный паттерн с потенциалом двигательных действий или без него.
Пока мыши просматривали зрительные паттерны и принимали решение о том, облизывать ли их, исследователи регистрировали активность сотен нейронов в каждой из двух областей их мозга: зрительной коре, которая обрабатывает зрение, и PPC., который получает информацию от зрительной коры, а также информацию от многих других сенсорных и моторных областей. Клетки в каждой области были спроектированы таким образом, чтобы светиться ярче, когда они становились активными, что давало ученым четкое представление о том, когда именно они начали заниматься задачей.
Нейроны зрительной коры, как и ожидалось, в основном загорались, когда паттерн появлялся и двигался, хотя они были примерно поровну разделены между реакцией на тот или иной зрительный паттерн.
Нейроны в PPC показали более разнообразные ответы. Некоторые действовали как нейроны зрительной коры, но большинство (около 70 процентов) были активны в зависимости от того, двигался ли паттерн в правильном направлении для облизывания (вверх) и только при наличии насадки. Другими словами, большинство нейронов PPC избирательно реагировали не только на то, чтобы что-то увидеть, но и на правила задачи и возможность действовать в соответствии с правильным визуальным сигналом.
«Многие нейроны в PPC, казалось, были активны только во время определенных комбинаций зрительного ввода и двигательного действия», - сказал Гоард. «Это говорит о том, что вместо того, чтобы играть определенную роль в сенсорной или моторной обработке, они могут гибко связывать сенсорную и моторную информацию, чтобы помочь мыши адекватно реагировать на окружающую среду."
Но даже случайная ошибка была поучительна. Рассмотрим случай, когда сопло было в наличии, а полоски двигались в стороны. В этом случае мышь не должна лизать, хотя и может. Нейроны зрительной коры вели себя одинаково независимо от решения мыши, но нейроны PPC были более активны непосредственно перед тем, как мышь лизнула по ошибке, чем непосредственно перед тем, как мышь не лизнула. Это говорит о том, что многие нейроны PPC ориентированы на действие.
Отмена правила
Пока еще не будучи полностью убежденными в том, что PPC кодирует решение лизнуть на основе правильного движения полоски, исследователи изменили правила задания. Теперь сопло будет выливать награду при облизывании рисунка боковых полос и выделять горькую жидкость, когда полосы двигаются вверх. Другими словами, мышь по-прежнему видела те же самые вещи, но то, что они означали для действия, изменилось на противоположное.
С теми же мышами, повторно обученными, исследователи затем снова посмотрели на те же нейроны в тех же областях. Нейроны зрительной коры вообще не изменили своей активности. Те, кто следовал восходящему или боковому паттерну, по-прежнему делали то же самое. В конце концов, то, что видели мыши, не изменилось.
Однако нейронные реакции в PPC менялись вместе с правилами действий. Нейроны, которые избирательно активировались для восходящих зрительных паттернов, теперь вместо этого реагировали на боковые паттерны. Иными словами, усвоение новых правил прямо проявлялось в изменении активности нейронов в ППК. Таким образом, исследователи наблюдали прямую корреляцию с обучением на клеточном уровне, явно указывающую на то, что PPC является критическим узлом, где видение встречается с действием на этой информации.
«Если вы перевернете правила светофора так, что красный означает движение, визуальный ввод по-прежнему будет управляться цветами, но связь с моторными выходными нейронами переключится, и это происходит в PPC», Sur сказал.
Выводы дополняют более ранние результаты, сделанные другими исследователями на приматах, пишут исследователи, предполагая, что мыши имеют необходимое сходство, чтобы помочь дальнейшим исследованиям PPC..
«Нашему пониманию того, как рассчитываются решения и выполняются зрительно-моторные преобразования, будет в значительной степени способствовать будущий анализ функции PPC на уровне схемы в этой мощной модельной системе», - заключили они.