Когда мы воспринимаем окружающий мир, одни объекты кажутся более заметными, чем другие, в зависимости от того, что мы делаем. Например, когда мы смотрим на покрытую лесом гору издалека, лес выглядит как большой зеленый ковер. Но по мере приближения мы начинаем замечать отдельные деревья, и лес отходит на задний план. Что происходит в мозгу, когда наш опыт так резко меняется?
На протяжении десятилетий ученые, изучающие зрительную систему, думали, что отдельные клетки мозга, называемые нейронами, действуют как фильтры. Некоторые нейроны предпочли бы грубые детали визуальной сцены и игнорировали бы мелкие детали, в то время как другие поступили бы наоборот. Считалось, что каждый нейрон выполняет свою собственную фильтрацию.
Новое исследование, проведенное учеными Института Солка, ставит под сомнение эту точку зрения. Исследование показало, что одни и те же нейроны, которые предпочитают грубые детали, могут изменяться, предпочитая более мелкие детали в разных условиях. Работа, опубликованная в журнале Neuron 31 декабря 2018 года, может помочь лучше понять нейронные механизмы, которые формируют наше восприятие мира.
"Мы пытались заглянуть под капот и выяснить, как работают эти фильтры," говорит профессор Томас Олбрайт, директор Центра нейробиологии зрения Солка и старший автор исследования.
"Селективность нейронов считалась стабильной, но наша работа показала, что фильтрующие свойства нейронов гораздо более гибкие, чем считалось ранее," добавляет первый автор исследования Амбариш Павар, научный сотрудник Salk.
Команда сосредоточилась на нейронах зрительной коры на модели животных. Животным были показаны оптические паттерны, в которых исследователи варьировали контраст между темными и светлыми областями и измеряли предпочтения нейронов в отношении грубых и мелких деталей. Цель состояла в том, чтобы увидеть, как нейроны обрабатывают эти паттерны, особенно в средней височной области мозга в пределах зрительной коры. Ученые ожидали обнаружить, что нейроны строго "настроен" воспринимать грубые или мелкие детали, но не то и другое одновременно. Вместо этого они обнаружили, что отдельный нейрон может фильтровать как мелкие, так и грубые детали, в зависимости от контраста рисунка.
Измеряя частоту возбуждения нескольких нейронов, активируемых оптическими стимулами, исследователи показали, что такая гибкость была более вероятной, если бы целые сети нейронов действовали как фильтры, а не отдельные нейроны.
"Наши результаты показывают, что ранее распространенное описание отдельных нейронов как фильтров было неверным," говорит Сергей Гепштейн, ученый из Центра нейробиологии зрения в Солке и соавтор нового исследования.
"Предпочтение нейронов может измениться из-за изменения баланса положительных (возбуждающих) сигналов и отрицательных (тормозных) сигналов, с помощью которых нейроны общаются в сети," добавляет Павар.
Исследователи показали, что объединение в одну команду наделяет нейронные сети высокой степенью гибкости в их предпочтениях, что позволяет легко адаптировать и настраивать мозг к меняющимся условиям, точно так же, как вы могли бы настроить радио на хороший прием во время вождения.
"Мы открыли новое измерение адаптивности корковых сетей," говорит Гепштейн. "Наши результаты ясно показали, что для того, чтобы понять эту адаптивность, мы должны переосмыслить, что такое вычислительные единицы мозга. Именно команда связанных нейронов – податливая нейронная сеть – больше подходит в качестве такой единицы, чем отдельный нейрон."
"Это неожиданное открытие может помочь нам пролить свет на нейронные механизмы, лежащие в основе огромной способности мозга адаптироваться к постоянно меняющейся среде," говорит Павар.
Олбрайт добавляет, что, "Несмотря на то, что исследование было сосредоточено на зрительной системе, такое же гибкое качество нейронных сетей, вероятно, будет справедливо и для других частей мозга."
Теперь, когда они увидели адаптируемые нейронные сети в действии, исследователи планируют изучить, как изменения в этих сетях влияют на поведение.