Jak mozek udržuje svět povědomě

Mozek je skvěle plast: Neuronův schopnost změnit své chování v reakci na nové podněty je to, co umožňuje učení. A dokonce i neuronův odpověď na stejné podněty se v průběhu času mění – jev známý jako reprezentativní drift. Přesto naše každodenní vnímání světa je relativně stabilní. Jak to?

Řešení takových hádanek záleží na budoucích rozhraních mozkových počítačů, smyslové protézy a terapie pro neurologické onemocnění. Při hledání odpovědi vědci z Rice University postavili ultrafalexibilní sondy tisícekrát tenčí než a lidské vlasy a použili je ke sledování neuronů ve vizuální kůře myší po dobu 15 po sobě jdoucích dnů, když zvířata sledovala tisíce obrazů – od vzorů linií po obrázky přirozeného světa.

Zařízení, nazývaná nanoelektronická vlákna (Nets), hladce vloží mozková tkáňumožňující chronické záznamy s vysokou věrností aktivita mozku.

Podle studie v Přírodní komunikaceToto vlastní, rozsáhlé neurorecordingové pole odhalilo, že stabilita vizuálních reprezentací je lépe zachycena milisekundovými rytmy neuronů-časový kód-než počítáním, kolikrát neuronové vystřelí nad sekundovými intervaly-měřítkem známé jako kód rychlosti střelby (objem).

„Předchozí studie většinou měřily objem, protože jejich sondy čtou mozkovou aktivitu příliš pomalu na to, aby zachytily jemné načasování,“ řekl Hanlin Zhu, postdoktorand rýže, který je prvním autorem na papíře. „To může způsobit, že mozková zpráva bude vypadat„ drifty “, než ve skutečnosti je. Naše rychlé elektrické nahrávky si přečtěte přímo rytmus a zjistili jsme, že rytmus bije objem, pokud jde o vysvětlení, jak mozek udržuje stabilní obraz světa ze dne na den.“

Roky ve výrobě, Nets nejen umožnily tento experiment, ale také se aplikují na jiné hranice – od mapování obvodů míchy až po vývoj přesnějších terapií stimulace mozku. Tato technologie ilustruje, proč trvalé investice do záležitostí neurovědy. V Texasu budou voliči letos na podzim zvážit návrh 14, což je opatření na 3 miliardy dolarů na podporu výzkumu mozku. Pokud by byl schválen, vytvořil by demence prevenci a výzkumný ústav Texasu a postavil stát jako národní vůdce v rozvíjejícím se výzkumu demence a souvisejících poruch.

V experimentu se myši implantovaly s sítěmi prohlížely téměř 12 000 obrazů denně-pohybující se pruhy, stále pruhy, malé tečkované skvrny používané k mapování, kde každá buňka „vypadá“ a přirozené scény. Vědci sledovali neuronální ladění napříč těmito podněty a vyhodnotili výkon na úrovni jednotlivých buněk a celých populací.

Když je posuzováno mírou střelby, vypadalo mnoho neuronů nespolehlivě.

„Ale při pohledu na časový kód ukázalo, že preference každé buňky – které si představují„ lajky “ – jsou ve skutečnosti stabilní po celé dny, zejména pro buňky, které vypadaly nespolehlivé, pokud je posoudíte pouze objemem,“ řekl Zhu.

Nets umožnilo nejen sledovat stovky jednotlivých neuronů, ale také se podívat na to, co Zhu nazval „jejich přátelskou síť“ – buňky, které mají tendenci střílet téměř ve stejnou dobu. To odhalilo, že stabilita vizuálních reprezentací je skupinové úsilí-účinek na úrovni populace odolný vůči nestabilitě jednotlivých neuronů.

„Sledovali jsme stejné vztahy mezi neuronem den co den na milisekundové přesnosti a ve všech čtyřech stimulačních sadách-který má tendenci mluvit s kým as tím, co zpoždění-něco, co bylo velmi těžké dělat v měřítku,“ řekl Zhu. „Pokud je nám známo, jedná se o první každodenní sledování stejné interneuronové funkční konektivity ve vizuální kůře myši v tomto časovém rozlišení a měřítku. Tento pohled na síť úhledně vysvětluje, proč načasování-nikoli hlasitost-ukládá náš smysl pro známé.“

Dočasná data na úrovni kódu zaznamenaná společností Nets umožnila počítačovým modelům analyzovat je, aby zjistila, který stimul myši viděla, dokonce i dny poté, co byl model původně vyškolen, aniž by bylo nutné být upraven. Pomohlo také snížit „drift“ nebo přesnost blednutí těchto předpovědí v průběhu času.

Studie vedl Chong Xie, profesor elektrického a počítačového inženýrství, a Lan Luan, docent elektrotechniky a počítačové inženýrství. Oba jsou členy iniciativy Neuroengineering Rice a strávili roky rafinací sítí.

„Tato práce ukazuje, jak mohou pokročilé nástroje pro záznamy odhalit organizační principy mozku, které nebyly dosud viditelné,“ uvedli Xie a Luan ve společném prohlášení. „Tyto poznatky jsou základem pro budování praktických technologií, od rozhraní mozkového počítače po nové terapie.

„Rovněž zdůrazňují, proč jsou iniciativy, jako je prevence demence a výzkumný ústav Texasu, tak důležité. Dlouhodobé investice dává vědcům schopnost posunout limity technologie a objevování způsoby, které mohou nakonec změnit životy.“