Наше выживание зависит от нашей способности точно и надежно наблюдать за окружающим миром. Нарушения зрительного восприятия возникают при ряде психических заболеваний и заболеваний нервной системы, включая аутизм, шизофрению и инсульт. Чтобы воспринимать мир, мы полагаемся на кору головного мозга, которая усваивает сенсорную информацию, передаваемую через таламус.
«То, как таламус взаимодействует с корой, является фундаментальной характеристикой того, как мозг интерпретирует мир», — говорит Элли Недиви, профессор Института обучения и памяти Пикауэра в Массачусетском технологическом институте.
Однако существует мало связей между таламусом и корой головного мозга, что ставит нейробиологов в тупик относительно того, как мы можем воспринимать мир.
Саймон Шульц, доктор философии, профессор нейротехнологии в Имперском колледже Лондона, сказал: «Мы давно знаем, что существует удивительно малое количество синаптических входов, которые поступают в кору от наших органов чувств через таламус, по сравнению с количеством которые происходят внутри самой коры. Но всегда существовала возможность того, что эти входы были очень сильными, так что они, тем не менее, могли иметь большой эффект».
Чтобы решить эту проблему, Недиви и ее сотрудники в Массачусетском технологическом институте и за его пределами использовали несколько инновационных методов и сообщили о своих выводах в журнале. Неврология природы на прошлой неделе “Сопоставление иннервации таламуса с отдельными пирамидными нейронами L2/3 и моделирование их «считывания» зрительного ввода». Они обнаружили, что таламические входы в поверхностные слои коры не только редки, но также слабы и разнообразны по своему распределению. Тем не менее, они помогают формировать надежное и эффективное представление информации в совокупности.
Авторы тщательно нанесли на карту каждый таламический синапс на 15 нейронах в слое 2/3 зрительной коры у мышей и смоделировали, как ввод влияет на способность каждого нейрона обрабатывать визуальную информацию. Это первое исследование, которое точно нанесло на карту всю иннервацию таламуса на целые корковые нейроны у живых мышей.
Исследователи обнаружили, что большие различия в количестве и расположении таламических синапсов делают их по-разному чувствительными к особенностям зрительного стимула. Следовательно, отдельные нейроны не могли достоверно интерпретировать все аспекты стимула, но небольшая группа нейронов могла эффективно собирать общую картину, работая сообща.
«Кажется, эта неоднородность — не ошибка, а особенность, которая обеспечивает не только экономическую выгоду, но и обеспечивает гибкость и устойчивость к возмущениям», — сказал Недиви.
Ведущий автор исследования, Айгуль Балджиоглу, доктор философии, ученый из лаборатории Недиви, сказал, что исследование создало способ для нейробиологов отслеживать все отдельные входные данные, которые клетка получает по мере поступления входных данных.
«Тысячи входных данных вливаются в одну клетку мозга. Затем клетка мозга интерпретирует всю эту информацию, прежде чем передать свой собственный ответ следующей клетке мозга», — сказал Балчиоглу. «Что нового и интересного, так это то, что теперь мы можем достоверно описать идентичность и характеристики этих входных данных, поскольку разные входные данные и характеристики передают различную информацию в данную клетку мозга. Наши методы дают нам возможность описать у живых животных, где в структуре отдельной клетки содержится какая информация. Это было невозможно до сих пор».
Отображение
Команда Недиви сосредоточилась на слое 2/3 коры из-за его относительно высокой гибкости или пластичности даже во взрослом мозге. Команда использовала метод многоцветной двухфотонной микроскопии, созданный в лаборатории Недиви, для наблюдения за целыми кортикальными нейронами с использованием трех цветовых меток в одной и той же клетке одновременно, чтобы пометить таламические входы, контактирующие с помеченными кортикальными нейронами. Перекрытие меток таламических входов и возбуждающих синапсов на корковых нейронах выявило предполагаемые связи.
Чтобы подтвердить наличие таламических входов, команда использовала метод под названием MAP (увеличенный анализ протеома), изобретенный в лаборатории Кванхуна Чанга, доктора философии, доцента химического машиностроения в Массачусетском технологическом институте. MAP физически увеличивает ткань, увеличивая разрешение стандартных микроскопов. Ребекка Гиллани, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Недиви, с помощью Тэюн Ку, доктора философии, научного сотрудника лаборатории Чанга, объединила новую технику маркировки и MAP для разрешения, подсчета, картирования и измерения всех таламо-кортикальных синапсов на целые корковые нейроны.
Анализ показал, что таламические входы были довольно малы и составляли от двух до 10 процентов возбуждающих синапсов на отдельных нейронах в зрительной коре. Количество таламических синапсов различается не только на клеточном уровне, но и в различных дендритных ветвях отдельных нейронов.
Краудсорсинг
Загадка открытия заключается в том, как эти слабые, редкие и очень изменчивые таламические входы формируют основу надежной передачи визуальной информации.
Чтобы решить эту проблему, Недиви сотрудничал с Иданом Сегевом, доктором наук, профессором вычислительной нейробиологии в Еврейском университете в Иерусалиме. Сегев и его ученик Майкл Дорон создали биофизическую модель корковых нейронов на основе результатов лаборатории Недиви и Атласа мозга Аллена.
Это показало, что когда нейроны коры получали визуальную информацию, их электрические ответы варьировались в зависимости от вариаций их таламических входов. Некоторые клетки в большей степени реагировали на контраст или форму, но ни одна отдельная клетка не давала многого об общей картине. Однако из объединенной активности кластера примерно из 20 клеток можно было декодировать весь визуальный ввод.
«Неоднородность обеспечивает снижение затрат с точки зрения количества синапсов, необходимых для точного считывания визуальных признаков», — отмечают авторы.
Шульц сказал: «Это чрезвычайно интригующий результат. В этой статье показано (с использованием некоторых действительно удобных новых инструментов для изучения анатомии мозговых цепей), что таламокортикальные синапсы со слоем 2/3 коры малы, редки и даже не особенно надежны! Их по-прежнему достаточно, чтобы передать сенсорную информацию». (Шульц не участвовал в текущем исследовании).
Подразумеваемое
По словам Недиви, учитывая небольшой размер таламических синапсов, они, вероятно, обладают значительной пластичностью. Она также сказала, что, возможно, преимущества различных нейронных входов могут быть общей чертой.
«Эта работа, на мой взгляд, действительно соответствует картине, которая складывалась в последние годы о нашем «воспринимаемом мире» как о том, что он в значительной степени генерируется внутри нашей коры — и лишь скудно обновляется, когда это необходимо, информацией, поступающей из снаружи. Это прекрасная статья по важному вопросу, — сказал Шульц.
Финансовая поддержка исследования была оказана Национальным глазным институтом Национальных институтов здравоохранения, Управлением военно-морских исследований и Фондом JPB.
