“Шумные” нейроны ограничивают зрительное восприятие

Согласно исследованиям на мышах, способность проводить тонкие визуальные различия между двумя стимулами наталкивается на естественный барьер, который создают одинаково большие группы «шумных» нейронов, ведущих себя одинаково.

Новое исследование помогает разгадать давнюю загадку о том, как мозгу удается обрабатывать информацию с такой точностью, несмотря на то, что отдельные нейроны действуют с удивительной степенью случайности.

«Благодаря этому исследованию, мы помогли решить загадку, которая существует уже более 30 лет, о том, что ограничивает млекопитающих, а тем более людей, когда речь идет о сенсорном восприятии», – говорит старший автор Марк Шнитцер, профессор биологии и прикладной физики и исследователь в Медицинском институте Говарда Хьюза.

Опубликованные в марте результаты в журнале Nature дают новое понимание границ восприятия и могут помочь в разработке так называемых нейропротезов – устройств, которые позволяют людям восстановить утраченные сенсорные способности.

В новом исследовании ученые измерили активность нейронов в мозге мышей. Грызуны визуально различали сходные, но не идентичные изображения. Анализируя данные, собранные из примерно 2000 одновременно зарегистрированных нейронов в каждой мыши, исследователи обнаружили убедительные подтверждающие доказательства теории, что «коррелированный шум» в нервной деятельности вызывает ограничения восприятия.

По сути, поскольку нейроны сильно взаимосвязаны, когда один неправильно идентифицирует изображение, он может повлиять на другие нейроны, которые совершат ту же ошибку.

«Вы можете думать о коррелированном шуме как о типе “группового мышления”, когда нейроны могут действовать как лемминги, когда один безрассудно следует за другим, делая ошибку», – говорит со-автор Сурия Гангули, доцент кафедры прикладной физики в Стэнфорде.

Примечательно, что зрительная система способна прорезать около 90% этого нейронального шума, но оставшиеся 10% накладывают ограничение на то, насколько точно мы можем различить два изображения, которые выглядят очень похожими.

Тысячи нейронов

Чтобы получить огромный выборочный набор из нескольких тысяч нейронов мышей, ведущий автор Олег Румянцев, аспирант по прикладной физике в Стэнфорде, возглавил создание специального типа аппарата для визуализации мозга. В рамках этой экспериментальной установки мышь могла бегать на месте на беговой дорожке, в то время как ученые использовали оптическую микроскопию для наблюдения нейронов в ее первичной зрительной коре. Эта область мозга отвечает за интеграцию и обработку визуальной информации, получаемой от глаза.

Мыши в исследовании были генетически сконструированы для экспрессии сенсорных белков, которые флуоресцируют и сообщают об уровнях активности нейронов в коре; когда нейроны активируются, эти белки испускают больше света, что позволяет исследователям определить закономерности активности клеток.

Проведение набора из 16 лазерных лучей через зрительную кору мыши осветило нейроны и инициировало процесс флуоресценции, что позволило исследователям наблюдать, как кортикальные нейроны реагировали на два различных зрительных стимула. Представленные стимулы представляли собой похожие изображения, состоящие из светлых и темных полос, которые, как известно из предыдущих исследований, действительно привлекают внимание мыши.

Основываясь на реакции нейронов, исследователи могли измерить способность зрительной коры различать два стимула. Каждый стимул генерировал особый паттерн нейронального ответа, при этом многие нейроны кодировали либо стимул 1, либо стимул 2. Однако верность была далека от идеальной, учитывая врожденную случайность нейронов.

На некоторых презентациях зрительных стимулов некоторые нейроны ошибались и сигнализировали о неправильных стимулах. Из-за группового мышления коррелированных шумов, когда один нейрон понял неправильно, другие нейроны, совместно использующие общие входные данные из сетчатки мыши и последующих частей зрительной схемы, также с большей вероятностью допускали ту же ошибку.

Было возможно раскрыть истинное влияние этого коррелированного шума, потому что исследователи смогли наблюдать большой набор нейронов одновременно.

«Коррелированный шум действительно проявляется только тогда, когда вы поднимаетесь до тысячи нейронов, поэтому до нашего исследования просто невозможно было увидеть этот эффект», – говорит Гангули.

Наш шумный мозг и зрительное восприятие

Что же касается задач визуальной идентификации, то мозг все еще отлично справляется с этой задаче в огромном объеме нейронного шума. В целом, около 90% шумовых флуктуаций не мешали точности кодирования визуального сигнала в нейронах. Вместо этого только оставшиеся 10% коррелированного шума отрицательно влияли на точность и, таким образом, ограничивали способность мозга воспринимать.

«Коррелированный шум накладывает ограничения на то, что может делать кора», – говорит Шницер.

Полученные данные свидетельствуют о том, что как только будет получен достаточно большой набор нейронов (или искусственных, нейроноподобных процессорных элементов), добавление большего количества нейронов для распознавания изображений может существенно не повысить производительность. Это понимание может помочь разработчикам нейропротезов, самым известным из которых является кохлеарный имплантат для людей с нарушениями слуха.

«Если вы хотите создать наилучшее сенсорное протезное устройство, вам может понадобиться, скажем, 1000 нейроноподобных элементов, потому что, если вы попытаетесь вписаться в большее, вы, возможно, не добьетесь лучшего результата», – говорит Гангули.

Будущие эксперименты могут проверить, ограничивают ли коррелированные ограничения шума, обнаруженные в новом исследовании, и другие чувства за пределами видения.

DOI: 10.1038 / s41586-020-2130-2

Вас также может заинтересовать:

Исследователи успешно восстанавливают поврежденный инсультом мозг крысы