Новая работа из Финляндии позволила связать поведение млекопитающих с лежащим в его основе нейронным кодом. В работе изучалось, как мозг млекопитающих интерпретирует сигналы от глаз при низком уровне освещенности.
Новое исследование проливает свет на путь решения двух основных задач неврологии. Первая цель - прочитать нервные сигналы и интерпретировать их значение для нашего мозга, а вторая - понять, как наш мозг воспринимает эти сигналы и решает, что делать, предсказывая, как мы себя ведем, основываясь на том, что мы видим.
Секрет интерпретации нейронного кода, найденного в темном лабиринте
Вся информация, которую тело посылает в мозг, например то, что мы можем видеть, слышать, обонять и чувствовать, передается по нервам в виде электрических импульсов, называемых спайками.
Свод правил того, как мозг расшифровывает спайки, неизвестен, и его разработка усложняется тем фактом, что нервная система часто передает одно и то же сообщение разными способами. Когда разные версии одного и того же сообщения достигают мозга, он интерпретирует все эти сигналы вместе, чтобы решить, как себя вести. Профессор Петри Ала-Лаурила и его команды из Университета Аалто и Хельсинкского университета теперь смогли связать поведение мыши с конкретными последовательностями спайков, возникающими в ее глазах.
Мыши были обучены плавать к очень слабому свету в кромешно-темном лабиринте, и команда измерила, насколько эффективно мыши находили его. Пришлось использовать темноту, потому что она критически сокращает количество соответствующих последовательностей спайков до двух наиболее чувствительных к тусклому свету: один называется каналом ВКЛ, а другой - каналом ВЫКЛ. Создав сценарий, в котором есть ограниченное количество поездов с шипами, отправляемых для определенного ввода, команда смогла изолировать, какие отдельные поезда с шипами контролируют поведение.
Очень сложно проводить точные научные эксперименты в полной темноте, поэтому команда разработала уникальный набор самых современных методов. Им нужно было разработать способы измерения электрических сигналов, исходящих от одиночных фотонов через нервную ткань глаза - сетчатку, - и связать эти сигналы с поведением мыши в лабиринте. Одним из достижений является то, что команда может отслеживать мышей в темноте с помощью камер ночного видения и их программного обеспечения, основанного на глубоком обучении, настолько точно, что они могут предсказать с беспрецедентным разрешением, где фотоны попадают на сетчатку каждой мыши.
Свет, который мышь пыталась найти, с каждым разом становился все тусклее, до такой степени, что в последних нескольких попытках в глаза мыши попадало всего несколько фотонов за раз.
Команда сравнила два типа мышей. Первой группой мышей, выполнивших задание, были обычные лабораторные мыши. Вторая группа была генетически модифицирована таким образом, что их самый чувствительный ВКЛЮЧЕННЫЙ канал требовал в 10 раз больше света, чтобы отправить импульс, чем самый чувствительный ВЫКЛЮЧЕННЫЙ канал. Оказалось, что эти модифицированные мыши в 10 раз хуже видят свет, чем их немодифицированные собратья. Таким образом, исследователи смогли доказать свое важное открытие: за то, что мышь видит свет, отвечают отдельные цепочки спайков, проходящие через ВКЛ-канал.
Результат, актуальный для всех нейробиологов, изучающих восприятие
Это первый случай, когда кто-либо связал визуальное поведение с таким разрешением с точными пиковыми кодами, исходящими от сетчатки.«Это похоже на попытку перевести язык, - объясняет профессор Петри Ала-Лаурила. «Раньше мы использовали разговорник: мы знали, что означают целые предложения, но не значение отдельных слов. Теперь, когда мы можем связать точные коды, состоящие из отдельных нервных импульсов, с поведением, мы приближаемся к пониманию отдельных «слов».
Результат очень актуален для исследователей, работающих над зрением, но также в целом актуален для всех нейробиологов, работающих над восприятием, из-за удивительного аспекта результата, который опроверг ранее существовавшие убеждения в неврологии. В течение 70 лет исследователи использовали теорию информации для моделирования того, как мозг обрабатывает различные сигналы. Одно из предположений заключалось в том, что если мозгу придется выбирать между двумя конкурирующими кодами, он будет полагаться на тот сигнал, который содержит больше информации. Что касается ВКЛЮЧЕННОГО и ВЫКЛЮЧЕННОГО каналов зрения у генетически модифицированных мышей, ВКЛЮЧЕННЫЙ канал, который, как показала команда, играет ключевую роль в управлении поведением, содержит меньше информации. Включенный канал увеличивает количество нервных импульсов, которые он отправляет в мозг при обнаружении фотонов, в то время как выключенный канал снижает частоту импульсов, и исследователи показывают, что поведение зависит только от сообщений, которые закодированы с повышенной частотой импульсов, а не с пониженной частотой импульсов.. «Это открытие действительно волнует всю неврологию, потому что оно является экспериментальным доказательством того, что мозг отдает приоритет информации, закодированной в спайках, а не в отсутствии спайков», - говорит Лина Смедс, аспирант Хельсинкского университета, которая является первым автором статьи.
Следующие шаги для финских групп заключаются в том, чтобы определить, применимы ли те же принципы к большему количеству нейронных цепей и поведенческих парадигм, и посмотреть, следуют ли они тем же правилам. Профессор Ала-Лаурила сравнивает открытие с открытием Розеттского камня с точки зрения его применимости. «Когда был обнаружен Розеттский камень, это не означало, что мы могли сразу понять древнеегипетский язык: он дал исследователям инструмент, который они использовали в течение следующих двух десятилетий, чтобы, наконец, перевести иероглифы. Точно так же это открытие не означает, что мы можем сразу же предсказать поведение по сигналам сенсорных нервов, но оно означает, что теперь мы можем начать изучать, что отдельные сигналы значат для мозга».