Представьте, что вы сидите в поезде на вокзале и смотрите на улицу: без анализа относительного движения контуров объектов в разных местах одновременно, часто трудно решить, начинает ли движение ваш поезд или тот, который находится на противоположном пути. Как эта разнообразная информация передается одновременно через сеть миллионов активированных нервных клеток в зрительном мозге??
"Нейроны синхронизируются с разными партнерами на разных частотах" говорит доктор. Дирк Янке, нейробиолог Рурского университета в Бохуме, Германия. Новый метод визуализации позволил показать, что такое функционирование приводит к наложению различных паттернов активности в первичной зрительной коре. Эти шаблоны индивидуально сигнализируют о направлении движения, скорости и ориентации контуров объекта в одной сети одновременно. Вместе с коллегами из Оснабрюкского университета ученые из Бохума успешно визуализировали такое мультиплексирование мозга с помощью современного метода оптической визуализации в реальном времени, в котором используется особый чувствительный к напряжению краситель.
Краситель проникает в мембрану клеток головного мозга и меняет флуоресценцию всякий раз, когда они получают или посылают электрические сигналы. Следовательно, системы камер с высоким разрешением позволяют одновременно фиксировать активность миллионов нервных клеток на нескольких квадратных миллиметрах по всему мозгу.
В качестве стимула исследователи использовали простые ориентированные решетки с чередующимися черно-белыми полосами, дрейфующими с постоянной скоростью по экрану монитора. Эти стимулы использовались более 50 лет в визуальной нейробиологии и до сих пор традиционно применяются в медицинской диагностике. Однако активность мозга, которая одновременно сигнализирует об ориентации решетки и ее движении, пока не обнаружена. Такие сигналы теперь можно было продемонстрировать впервые. Обратите внимание, что потребовались дополнительные вычислительные операции, включая сложный анализ, прежде чем эти мельчайшие сигналы активности мозга стали видимыми.
Оптическая визуализация стала современной, поскольку она позволяет детально разрешать активность кортикального паттерна, так называемые карты, на которых локальные группы активных нервных клеток представляют ориентацию решетки. Таким образом, определенная ориентация решетки активирует различные группы нервных клеток, что приводит к образованию уникальных пятнистых узоров. Их конкретный макет карты кодирует фактическую ориентацию стимула.
Янке: "Кроме того, наш новый метод визуализации фиксирует распространяющиеся волны активности по этим ориентационным картам. Следовательно, мы дополнительно наблюдаем за решетками, движущимися в реальном времени по мозгу. Таким образом, направление и скорость движения можно оценивать независимо от карт ориентации, что позволяет разрешать неоднозначности, возникающие в визуальных сценах повседневной жизни." Затем возникающие пространственно-временные паттерны могут быть индивидуально приняты и интерпретированы другими областями мозга. Чтобы дать картину: радио получает постоянный поток трансляций одновременно. Чтобы слушать конкретную станцию, нужно выбрать только канал для настройки. Например, следующая область мозга может предпочтительно вычислять ориентацию объекта, в то время как другие одновременно обрабатывают направление или скорость его движения. В будущем ученые надеются обнаружить больше действий мозга в режиме реального времени, когда аналогичные инструменты используются с возрастающей сложностью стимулов: натуралистические изображения так легко воспринимаются в повседневной жизни. Тем не менее остается интригующий вопрос, как мозг обрабатывает такие сложные данные, получая стабильное восприятие каждый момент времени.