Исследователи из Стэнфорда помогли разгадать давнюю загадку о том, как мозгу удается так точно обрабатывать информацию, несмотря на то, что отдельные нейроны или нервные клетки действуют с удивительной степенью случайности.
Результаты, опубликованные 2 апреля в журнале Nature, позволяют по-новому взглянуть на пределы восприятия и могут помочь в разработке так называемых нейропротезов – устройств, которые позволяют людям восстановить некоторые утраченные сенсорные способности.
В новом исследовании ученые измерили активность нейронов в мозге мышей, поскольку грызуны визуально различали похожие, но не идентичные изображения. Проанализировав данные, собранные примерно от 2000 одновременно записанных нейронов у каждой мыши, исследователи обнаружили убедительные подтверждающие доказательства теории о том, что ограничения восприятия вызваны: "коррелированный шум" в нейронной активности.
По сути, поскольку нейроны сильно взаимосвязаны, когда один случайным образом реагирует неправильно и неверно идентифицирует изображение, это может повлиять на другие нейроны, чтобы они совершили ту же ошибку.
"Вы можете думать о коррелированном шуме как о типе “ группового мышления ”, в котором нейроны могут действовать как лемминги, когда один беззаботно следует за другим, чтобы совершить ошибку," сказал соавтор исследования Сурья Гангули, доцент прикладной физики в Школе гуманитарных и естественных наук (H&S).
Примечательно, что зрительная система способна прорезать около 90% этого нейронного шума, но оставшиеся 10% накладывают ограничение на то, насколько точно мы можем различать два изображения, которые выглядят очень похожими.
"С помощью этого исследования мы помогли решить загадку, которая существует уже более 30 лет, о том, что ограничивает млекопитающих – и, в более широком смысле, людей – когда дело доходит до сенсорного восприятия," сказал соавтор Марк Шнитцер, профессор биологии и прикладной физики в H&С. и следователь из Медицинского института Говарда Хьюза.
Наблюдение за наблюдателем
Чтобы получить огромный набор образцов, состоящий из пары тысяч нейронов на мышь, ведущий автор исследования Олег Румянцев, аспирант прикладной физики Стэнфордского университета, возглавил создание специального типа аппарата для визуализации мозга. В рамках этой экспериментальной установки мышь могла бегать на беговой дорожке, в то время как ученые использовали оптическую микроскопию, чтобы наблюдать нейроны в ее первичной зрительной коре. Эта область мозга отвечает за интеграцию и обработку визуальной информации, полученной от глаза.
Мыши в исследовании были генетически сконструированы для экспрессии сенсорных белков, которые флуоресцируют и сообщают об уровнях активности нейронов в коре головного мозга; когда нейроны активируются, эти белки излучают больше света, что позволяет исследователям делать выводы о моделях активности клеток. Проведение набора из 16 лазерных лучей через зрительную кору головного мозга мыши освещало нейроны и инициировало процесс флуоресценции, позволяя исследователям наблюдать, как корковые нейроны реагируют на два разных зрительных стимула. Представленные стимулы представляли собой похожие на вид изображения, состоящие из светлых и темных полос, которые, как известно из предыдущих исследований, действительно привлекают внимание мышей.
Основываясь на реакции нейронов, исследователи могли оценить способность зрительной коры головного мозга различать два стимула. Каждый стимул генерировал определенный паттерн нейронального ответа, при этом многие нейроны кодировали либо стимул 1, либо стимул 2. Однако верность была далека от идеала, учитывая врожденную случайность нейронов. При некоторых предъявлении зрительных стимулов некоторые нейроны ошибались и сигнализировали о неправильном стимуле. Из-за группового мышления коррелированного шума, когда один нейрон ошибался, другие нейроны, совместно использующие общие входы от сетчатки глаза и последующих частей зрительной схемы, также с большей вероятностью совершали ту же ошибку.
Истинное влияние этого коррелированного шума удалось обнаружить только потому, что исследователи из Стэнфорда смогли одновременно наблюдать за большим набором нейронов. "Коррелированный шум действительно проявляется только тогда, когда вы доходите примерно до тысячи нейронов, поэтому до нашего исследования этот эффект просто невозможно было увидеть," Гангули сказал.
Больше с меньшими затратами
Что касается задач визуального различения, то мозг все еще ужасно хорошо справляется с огромным объемом нейронного шума. В целом около 90% шумовых флуктуаций не препятствовали точности кодирования визуального сигнала в нейронах. Вместо этого только оставшиеся 10% коррелированного шума отрицательно повлияли на точность и, таким образом, ограничили способность мозга воспринимать. "Коррелированный шум накладывает ограничения на то, что может делать кора головного мозга," сказал Шнитцер.
Полученные данные свидетельствуют о том, что как только будет доступен достаточно большой набор нейронов (или искусственных нейроноподобных обрабатывающих элементов), добавление большего количества нейронов к проблеме сенсорной дискриминации может не существенно повысить производительность. Это понимание может помочь разработчикам протезов головного мозга, самым известным из которых является кохлеарный имплант для людей с нарушениями слуха, научиться достигать большего с меньшими затратами. "Если вы хотите создать наилучшее возможное сенсорное протезное устройство, вам может потребоваться всего лишь одна тысяча нейроноподобных элементов, потому что, если вы попытаетесь указать больше, у вас может не получиться ничего лучше," сказал Гангули.
В будущих экспериментах можно будет выяснить, ограничивают ли коррелированные ограничения шума, выявленные в Стэнфордском исследовании, и другие органы чувств, помимо зрения.