Новое исследование активности почти 60000 нейронов зрительной системы мыши показывает, как далеко нам нужно зайти, чтобы понять, как мозг производит вычисления. Опубликованный сегодня в международном журнале Nature Neuroscience анализ, проведенный исследователями из Института Аллена, показывает, что более 90% нейронов в зрительной коре, той части мозга, которая обрабатывает наш визуальный мир, работают не так, как думали ученые. – и пока не ясно, как они работают.
«Мы думали, что существуют простые принципы, в соответствии с которыми эти нейроны обрабатывают визуальную информацию, и эти принципы есть во всех учебниках», – сказал Кристоф Кох, доктор философии.D., Главный научный сотрудник и президент Института исследований мозга Аллена, подразделения Института Аллена, и соавтор исследования вместе с Р. Клэй Рид, М.D., Ph.D., Старший научный сотрудник Института исследований мозга Аллена. “Но теперь, когда мы можем исследовать десятки тысяч ячеек одновременно, мы получаем более тонкую – и гораздо более сложную – картину.”
Почти 60 лет назад два нейробиолога, Дэвид Хьюбел и Торстен Визель, сделали революционные открытия о том, как мозг млекопитающих воспринимает визуальный мир вокруг нас. Их работа выявила отдельные нейроны, которые включаются только в ответ на очень специфические виды изображений.
Хьюбел и Визель сделали свои открытия, показывая кошкам и обезьянам простые картинки – например, черную полосу или точку на белом фоне. Общий принцип, который они обнаружили, гласит, что когда вы смотрите на мир вокруг себя, определенные нейроны в вашем мозгу отвечают за распознавание точных частей в определенной области этой сцены, и распознавание становится более специализированным и настраивается в частях более высокого порядка. головной мозг.
Предположим, вы находитесь в парке: один набор нейронов будет вызывать быстрый электрический отклик на темную ветку дерева в точном месте на вашей прямой видимости. Другие нейроны включаются только тогда, когда птица пролетает через ваше поле зрения слева направо. Затем ваш мозг будет объединять информацию от нейронов «ветки дерева» и нейронов «движущейся птицы», чтобы получить полную картину мира вокруг вас, по крайней мере, так гласит теория.
Открытия Хьюбела и Визеля были отмечены Нобелевской премией по физиологии и медицине и легли в основу нейронных сетей, лежащих в основе большинства приложений компьютерного зрения. В последнее десятилетие, с появлением новых методов нейробиологии, которые позволяют изучать все больше и больше клеток мозга одновременно, ученые пришли к пониманию того, что эта модель того, как наш мозг видит, вероятно, не вся история – некоторые нейроны явно этого не делают. t следуйте классической модели настройки на конкретные функции.
Но было непонятно, насколько неполной была эта история.
Вариабельность мозговой активности
Новое исследование является первым крупномасштабным анализом общедоступных данных из обсерватории мозга Аллена, широкого обзора, который фиксирует активность десятков тысяч нейронов в зрительной системе мыши. Исследователи проанализировали активность почти 60 000 различных нейронов в зрительных частях коры, внешней оболочки мозга, когда животные видят разные простые изображения, фотографии и короткие видеоклипы, включая вступительный кадр из классического фильма Орсона Уэллса «Прикосновение» of Evil “(выбрано, потому что в нем много движений и это одиночный кадр без разрезов).
Исследования нейробиологии 1950-х и 60-х годов по необходимости были похожи на рыболовные экспедиции: исследователи рылись в мозгу с помощью одного электрода, пока не нашли нейрон, который надежно реагировал на определенное изображение. По словам Коха, это все равно, что смотреть широкоэкранный фильм через несколько разрозненных отверстий – получить полную картину невозможно. Набор данных Allen Brain Observatory не фиксирует активность каждого нейрона при каждом сценарии, но позволяет исследователям одновременно изучать большее количество нейронов, в том числе с более тонкими реакциями.
Новый анализ исследователей показал, что менее 10% из 60000 нейронов реагировали в соответствии с учебной моделью. Из остальных примерно две трети дали какой-то надежный ответ, но их ответы были более специализированными, чем можно было бы предсказать с помощью классических моделей. Последняя треть нейронов проявила некоторую активность, но они не засветились надежно ни на один из стимулов в эксперименте – неясно, что делают эти нейроны, сказали исследователи.
«Дело не в том, что все предыдущие исследования были большой ошибкой, просто эти клетки оказались очень малой частью всех нейронов коры головного мозга», – сказала Саския де Врис, доктор философии.D., помощник исследователя в Институте исследований мозга Аллена, который руководил исследованием вместе с Жеромом Лекоком, доктором философии.D., и Майкл Буйс, доктор философии.D. “Оказывается, зрительная кора мышиного мозга намного сложнее и богаче, чем мы думали ранее, что подчеркивает ценность проведения такого типа обследования.”
То, что существуют эти более изменчивые, менее специфические нейроны, – не новость. Но было удивительно, что они доминируют в визуальных частях мозга мыши, сказали исследователи.
Как мозг вычисляет
Пока не ясно, как эти нейроны способствуют обработке визуальной информации. Другие исследовательские группы обнаружили, что локомоция может управлять активностью нейронов в зрительной части мозга, но независимо от того, бежали ли мыши или все еще объясняет лишь небольшую вариабельность зрительных реакций, исследователи обнаружили.
Их следующие шаги – провести аналогичные эксперименты с более естественными фильмами, предлагая нейронам более широкий набор визуальных функций, на которые они могут реагировать. Байс сделал 10-часовой специализированный ролик практически из всех документальных фильмов о природе, которые ему удалось достать.
Исследователи также отмечают, что классическая модель пришла из исследований кошек и приматов, животных, которые эволюционировали, чтобы видеть свои миры в более четком фокусе в центре своего взгляда, чем мыши. Возможно, зрение мыши – это совсем другая игра, чем у нас. Но в этих исследованиях все еще есть принципы, которые могут быть применены к нашему собственному мозгу, – сказал Бьюис, младший исследователь из Института исследований мозга Аллена.
“Наша цель заключалась не в изучении зрения; нашей целью было изучение того, как кора головного мозга вычисляет. Мы думаем, что кора головного мозга имеет универсальную структуру вычислений, похожую на то, как разные типы компьютеров могут запускать одни и те же программы », – сказал Бьюис. “В конце концов, не имеет значения, какая программа запущена на компьютере; мы вообще хотим понять, как он запускает программы.”