Используя специальный микроскоп, чтобы заглянуть в мозг мыши, ученые отследили активность отдельных нейронов во всей зрительной коре.
Эти записи, сделанные через десятые доли секунды после того, как животные увидели сигнал на экране, раскрывают сложную динамику, связанную с осмыслением того, что видят глаза. В беспрецедентном сочетании широты и детализации результаты описывают поведение более 21 000 нейронов у шести мышей в течение пяти дней, сообщает команда исследователя Медицинского института Говарда Хьюза Марка Шнитцера в журнале Nature 18 мая 2022 года.
Его команда первой получила представление об активности отдельных клеток, происходящей одновременно во всех восьми частях мозга, участвующих в зрении. «Люди изучали эти области мозга и раньше, но предыдущие исследования изображений не показали клеточного разрешения по всей зрительной коре », — говорит Шнитцер, нейробиолог из Стэнфордского университета.
В работе подчеркивается драматическая последовательность событий, которые разворачиваются в мозгу с момента, когда он получает сообщения от глаз, до момента, когда он решает, как реагировать на это зрелище. Далеко идущий, но детальный подход исследователей к визуализации позволил им собрать «невероятный» набор данных, говорит Татьяна Энгель, вычислительный нейробиолог из лаборатории Колд-Спринг-Харбор, которая не участвовала в исследовании.
В то время как в предыдущих исследованиях уже изучались аспекты этого процесса, такие как вариации активности отдельных нейронов и координация между более крупными областями мозга, это исследование предлагает обширный новый взгляд, говорит она. «Масштаб, в котором они могут обращаться к этим темам, очень впечатляет».
Когда глаза видят изображение, они посылают электрические сигналы , которые попадают в зрительную кору — морщинистый внешний слой мозга, расположенный ближе к затылку. Там сигналы вызывают всплеск активности, поскольку нейроны работают вместе, чтобы зарегистрировать изображение, оценить его и решить, как реагировать.
Чтобы зафиксировать активность в зрительной коре, Шнитцер и его коллеги построили специальный микроскоп с широким полем зрения. Их система также могла фиксировать детали с разрешением в несколько тысячных долей миллиметра, что достаточно для обнаружения отдельных нейронов. Используя генетически модифицированных мышей с нейронами, которые флуоресцируют при отправке сигналов, команда смогла наблюдать за активностью этих клеток.
Во время экспериментов мышам приходилось делать выбор на основе одного из двух визуальных сигналов . Один побуждал животных лизать носик для сахарной воды, другой сигнал указывал «не лизать». Мыши выполнили многие из этих тестов в течение пяти дней.
С записями, сделанными из мозга мышей, команда поставила простой вопрос: что происходит в мозгу, когда мы что-то видим? Их результаты отображают этот невидимый процесс с временным разрешением в доли секунды и раскрывают удивительные нюансы.
Ученые, например, уже знали, что отдельные нейроны ведут себя по-разному, реагируя на визуальные сигналы , передаваемые глазами. Но эксперименты команды Шнитцера выявили закономерность этого ненадежного поведения. Этот паттерн может помочь областям мозга, получающим сигналы нейронов, понять их смысл и точно интерпретировать визуальную сцену.
Исследователи также задокументировали, как примерно через 200 миллисекунд после появления визуального сигнала животные переключали умственные механизмы: сообщения от глаз вызывали массовую перестройку активности в различных областях мозга. Примерно через 500 миллисекунд этот всплеск стих, и активность стала более стабильной и узнаваемой. Затем, примерно через 600 миллисекунд , появился еще один сигнал, активировавший все восемь областей мозга . Этот сигнал кодировал решение животного оставаться на месте или пойти за сахарной водой. Исследователи научились читать сигнал, чтобы предсказать, какую реакцию сделает мышь.
Удивительно, как много мозг делает сразу после того, как глаза видят стимул.
