Одиночные нейроны в первичной зрительной коре головного мозга могут надежно обнаруживать прямые линии, даже несмотря на то, что клеточный состав нейронов постоянно меняется, согласно новому исследованию нейробиологов из Университета Карнеги-Меллона под руководством доцента биологических наук Сандры Кульман. Результаты исследования, опубликованные в октябре в Scientific Reports. 16, заложить основу для будущих исследований того, как сенсорная система реагирует и адаптируется к изменениям.
Большинство из нас полагает, что, когда мы видим что-то регулярно, например, наш дом или здание, где мы работаем, наш мозг надежно реагирует на одни и те же нейроны. Было бы разумно предположить, что то же самое верно, когда мы видим простые горизонтальные или вертикальные линии.
"В здании, в котором находится наша лаборатория, есть эти величественные колонны," сказал Кульман. "Логическое предположение состоит в том, что каждый день, когда мы приближаемся к зданию, наш мозг распознает столбцы, которые по сути являются прямыми линиями, таким же образом. С научной точки зрения мы понятия не имели, правда ли это."
В то время как Кульман и другие ученые полагали, что эта идея надежности нейронов является вероятной гипотезой, у них также были основания полагать, что это может быть не так. Белковые компоненты, составляющие клеточный состав отдельных нейронов, постоянно меняются в течение часов или дней, что может измениться, когда они реагируют на данный стимул. Ни одна из гипотез не была подтверждена экспериментально.
Что касается зрения, исследователи действительно знали, что, когда мы впервые сталкиваемся со стимулом, группа нейронов в первичной зрительной коре мозга реагирует на ориентацию стимула, определяя, является ли стимул горизонтальным, вертикальным или наклоненным под углом. Нейроны передают эту информацию глубже в зрительную кору головного мозга на следующий этап обработки. Но они не знали, какие нейроны отвечали и отвечали ли одни и те же каждый раз.
Новая технология визуализации, называемая двухфотонной микроскопией, позволила нейробиологам в лаборатории Кульман одновременно визуализировать от 400 до 600 нейронов в первичной зрительной коре модели мыши, которая экспрессирует флуоресцентный белок при активации нейрона. В эксперименте мыши показывали последовательность из разноориентированных линий – некоторые горизонтальные, некоторые вертикальные, а другие – под углом. Эти стимулы активировали возбуждающие нейроны и заставляли их излучать флуоресцентный сигнал, который можно было увидеть с помощью техники микроскопа.
В течение двухнедельного периода мыши подвергались воздействию одних и тех же зрительных стимулов, и исследователи измерили профиль ответа каждого из сотен нейронов. Они обнаружили, что на протяжении всего исследования около 80 процентов отслеживаемых нейронов надежно активировались одними и теми же ориентированными линиями. Они также надежно молчали по тем же ориентированным линиям. Это указывало на то, что они сохраняли ту же функциональную роль в мозговом контуре в течение нескольких дней.
Исследователи смогли протестировать широкий спектр стимулов, в том числе измерить, как нейроны реагируют на линии различной толщины. Они обнаружили, что некоторые нейроны нестабильно реагировали на толщину, сохраняя при этом свою первоначальную избирательность к ориентации линий. Кульман отметил, что это указывает на то, что отдельные нейроны могут непрерывно кодировать определенные визуальные особенности, при этом сохраняя способность адаптироваться к другим.
"Было интересно увидеть пластичность в одном элементе, а в другом – нет," сказал Кульман. "Это дает нам ключевое представление о том, как наш мозг может поддерживать стабильное восприятие мира, в то же время усваивая новую информацию. Например, вы хотите иметь возможность узнавать свое здание, даже если внесены небольшие изменения, например, если колонны вашего здания очищены. Похоже, что мы можем обновить один аспект функции стимула без полного изменения свойства функционального ответа данного нейрона."
Исследователи будут использовать этот набор данных в качестве контроля для своей следующей серии исследований, целью которых является увидеть, как эти нейроны реагируют на изменения в зрительной системе, например, при изучении новой зрительной задачи или после восстановления после окклюзии.