Когда глаз отслеживает полет птицы по небу, визуальное восприятие обычно гладкое, без перебоев. Но в основе этого поведения лежит сложная координация нейронов, которая остается загадкой для ученых. Теперь исследователи UCSF сделали прорыв в понимании того, как мозг генерирует это отслеживающее движение, открытие, которое, по их словам, открывает окно в то, как нейроны управляют всеми движениями тела.
Исследование, опубликованное в выпуске Neuron от 24 апреля, показывает, что отдельные нейроны не срабатывают независимо в течение всей продолжительности двигательной функции, как традиционно считалось. Скорее, они координируют свою активность с другими нейронами, каждый из которых срабатывает в определенный момент времени.
«Ученые знали, что нейроны, которые соединяются с мышцами, инициируют движение скоординированным образом. Но они не знали, как нейроны, которые мы изучаем – которые координируют эти передние нейроны – заставляют мозг двигать глазами », – говорит со-ведущий автор Дэвид Шоппик, доктор философии, который проводил исследование, будучи докторантом в лаборатория старшего автора Стивена Лисбергера, доктора философии, Калифорнийского университета в Сан-Франциско.
«На протяжении десятилетий ученые спрашивали:« Вовлекают ли сигналы несколько нейронов или тысячи?" Каков характер команд"«Классическое понимание заключалось в том, что один класс нейронов отвечает за одно движение, например, за движение глаз влево, и что он остается активным на протяжении всей продолжительности поведения», – говорит он.
«Новые результаты предлагают совершенно другой взгляд на то, как движение контролируется во времени», – говорит Лисбергер, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза в UCSF, где он является профессором физиологии, директором W.M. Центр интегративной нейробиологии Фонда Кека и содиректор Центра теоретической нейробиологии Слоуна.
По словам исследователей, полученные данные могут послужить основой для усилий по разработке нервного протезирования для лечения паралича и двигательных дисфункций, например, вызванных инсультом. «Сообщения мозга не доходят до мышц в этих условиях, – говорит Шоппик, – поэтому очень важно, чтобы стремление к этим протезам отражало то, что мозг пытается сделать, чтобы двигать мышцы. Понимание того, как несколько нейронов работают вместе, может повлиять на тип программного обеспечения, созданного для управления этими устройствами.”
По словам Шоппика, до сих пор исследование того, как нейроны вызывают двигательное поведение, было в тупике из-за трудностей, связанных с изучением более чем одного нейрона в действии одновременно в ходе поведения. В текущем исследовании ученые преодолели это препятствие в исследовании макак, которые были обучены отслеживать движущийся объект глазами.
Основывая свой подход на двух ключевых элементах информации: во-первых, когда нейрон реагирует на стимул, его характеристики всегда незначительно изменяются – явление, которое нейробиологи традиционно называют «шумом», и, во-вторых, что каждая попытка глаза, чтобы преследовать движущуюся цель, также уникальна – они предположили, что некоторые аспекты нейронных вариаций могут отражать поведенческие вариации.
Они использовали эту врожденную изменчивость как пробу. Используя формулу из анализа рынка финансовых ценных бумаг, которая рассматривает, как отдельные акции ведут себя в данный момент в контексте колебаний на более крупном финансовом рынке, они исследовали, как отдельные нейроны будут вести себя по отношению к своим соседям.
Они сравнили отклонения от средней пиковой активности отдельных нейронов и одновременные отклонения от средней скорости глаза. Они также измерили степень вариабельности двух пар одновременно активных нейронов.
Данные продемонстрировали, что отдельные нейроны кодируют различные аспекты поведения, контролируя колебания скорости глаз в определенные моменты в ходе движения глаз, в то время как совокупность нейронов совместно определяет всю продолжительность движения.
Анализ также выявил силу корреляций в прогнозах движения глаз, полученных на основе пар одновременно записанных нейронов, и предполагает, по словам исследователя, либо небольшое количество нейронов, достаточное для управления поведением в любой момент времени, либо функционирование многих нейронов. коллективно в каждый момент.
Открытие, говорит Лисбергер, подчеркивает важность записи для более чем одного нейрона одновременно. «Мы можем многому научиться из того, как взаимодействуют несколько нейронов.”
Источник: Калифорнийский университет в Сан-Франциско