Настоящие нейроны шумят. Могут ли нервные имплантаты это понять??

Если бы человеческие глаза поставлялись в упаковке, на ней должна была бы быть надпись «Натуральный продукт. Возможны некоторые вариации.”Потому что более миллиона ганглиозных клеток сетчатки, которые посылают сигналы в мозг человека для интерпретации, не все работают одинаково.

Это то, что инженер назвал бы “шумными” – между ячейками и от одного момента к другому есть различия. И все же, когда мы видим фотографию красивого цветка, она выглядит резкой и красочной, и мы знаем, что это такое.

Зрительные центры мозга должны уметь отфильтровывать шум от клеток сетчатки, чтобы добраться до истинного сигнала, и эти фильтры должны постоянно адаптироваться к условиям освещения, чтобы сигнал оставался четким. Новое исследование предполагает, что протезам сетчатки и нервным имплантатам потребуется такая же адаптивная фильтрация шума, чтобы добиться успеха.

«Нейроны в головном мозге зашумлены – это означает, что при предъявлении одного и того же стимула нейроны не производят каждый раз одинаковый ответ», – сказал Грег Филд, доцент нейробиологии в Университете Дьюка, который является соавтором нового исследования в Nature. Общение с канадским коллегой о том, как мозг компенсирует визуальный шум.

«Если интерфейсы мозг-машина не учитывают корреляцию шума между нейронами, они, вероятно, будут плохо работать», – сказал Филд.

Работая в специальной темной комнате в лаборатории Филда, аспирантка Герцога Кирстен Руда экспонировала маленькие квадраты сетчатки живой крысы для изображений и видео в различных условиях освещения, в то время как массив из более чем 500 крошечных электродов под клетками сетчатки записывал сигналы, которые обычно посылаются вниз. зрительный нерв к мозгу.

«Все это делается в полной темноте с помощью очков ночного видения, чтобы мы могли сохранить максимальную чувствительность сетчатки», – сказал Филд.

Исследователи пропустили эти нервные импульсы через программное обеспечение, а не через мозг, чтобы увидеть, насколько переменными и шумными были сигналы, и поэкспериментировать с тем, какая фильтрация потребуется мозгу для получения четкого сигнала в различных условиях освещения, например, при лунном свете или солнечном.

Сенсорные системы, такие как глаза, нос и уши, работают с группами датчиков, потому что каждая отдельная чувствительная ячейка является шумной. Однако этот шум является общим или “ коррелированным ” между клетками, что представляет собой проблему для мозга, чтобы понять исходный сигнал.

При высоком уровне освещенности компьютер мог улучшить декодирование примерно на 20 процентов, используя корреляцию шума, в отличие от простого предположения, что каждый нейрон зашумлен по-своему. Но при низкой освещенности это значение увеличивалось до 100%.

Действительно, более ранние исследования, проведенные другими группами, показали, что допущение, что нескорректированный шум в коре головного мозга может ухудшить декодирование на 30 процентов. Исследования Филда на сетчатке показывают, что эти предположения приводят к еще большим потерям информации.

«Это помогает понять этот коррелированный шум, если вы думаете об оркестре», – сказал Филдс в электронном письме. «Все участники оркестра играют немного расстроено, это« шум », но насколько они расстроены, зависит от их соседей, это корреляция. Например, все скрипки играют немного остро, флейты немного плоские, а виолончели очень плоские. Главный вопрос в нейробиологии заключался в том, в какой степени этот коррелированный шум искажает способность мозга определять, какая песня воспроизводится.”

«Мы показали, что для того, чтобы воспользоваться преимуществом наличия большого количества сенсорных клеток, мозг должен знать, как отфильтровать этот коррелированный шум», – сказал Филд. Но проблема еще сложнее, потому что количество коррелированного шума зависит от количества света, причем больше шума при более низких уровнях освещенности, таких как лунный свет.

Помимо сложных и увлекательных наблюдений, Филд сказал, что результаты исследования указывают на проблемы, стоящие перед инженерами, которые надеются воспроизвести сетчатку в протезе или в нейронном имплантате, о котором объявил Илон Маск.

«Чтобы сделать идеальный протез сетчатки (бионический глаз), вероятно, потребуется включить эти корреляции шума, чтобы мозг мог правильно интерпретировать сигналы, которые он получает от протеза», – сказал Филд. Точно так же компьютеры, считывающие активность мозга с нейронных имплантатов, вероятно, должны будут иметь модель корреляции шума между нейронами.

Но это будет непросто. Филд сказал, что исследователям еще предстоит понять структуру этих корреляций шума в мозгу.

«Если бы мозг предположил, что шум не зависит от нейронов, вместо того, чтобы иметь точную модель того, как он коррелирует, мы покажем, что мозг пострадал бы от катастрофической потери информации о стимуле», – сказал Филд.

Самые занимательные новости