Исследователи из Университета Квинсленда обнаружили, что толщина внешнего слоя мозга влияет на то, как отдельные нейроны обрабатывают информацию.
Полученные данные ставят под сомнение понимание того, как функционируют мозговые цепи по всему мозгу.
Внешний слой мозга (кора) состоит из множества более мелких «микросхем» клеток мозга, каждая из которых состоит из примерно 10 000 нейронов, взаимодействующих в пространстве размером всего 1 квадратный миллиметр. Существует давняя теория, согласно которой нейроны в этих микросхемах функционируют и взаимодействуют очень стандартным образом, поэтому, в более широком смысле, все микросхемы должны работать в основном одинаково.
Если это так, то если можно понять, как работает одна микросхема, то можно понять и остальные.
Профессор Стивен Уильямс и исследователь Ли Флетчер из Квинслендского института мозга (QBI) в UQ хотели знать, правда ли это: работает ли определенный класс нейронов одинаково независимо от того, где они расположены в коре головного мозга?
Используя МРТ высокого разрешения мозга грызунов, они исследовали структуру коры и обнаружили, что толщина постепенно увеличивается в 3 раза от задней части мозга к передней.
Они также обнаружили, что постепенные изменения толщины можно обнаружить даже в пределах одной функциональной области мозга. Например, передняя часть области визуальной обработки толще задней.
Когда Уильямс и Флетчер рассмотрели еще более внимательно, они обнаружили, что толщина коры напрямую связана с длиной отдельных нейронов: нейрон в более толстой области коры более вытянут, чем нейрон в более тонкой области. Это, в свою очередь, поднимает важный вопрос, – говорит Уильямс, "они по-прежнему работают так же?"
Он объясняет, что, чтобы понять это, нам нужно сделать шаг назад и посмотреть, как мозг обрабатывает информацию.
Важное сравнение
По его словам, помимо обработки сенсорной информации мозг также генерирует внутреннюю модель мира. Более того, мозг постоянно сравнивает сенсорную информацию со своей внутренней моделью.
На самом деле считается, что такие сравнения происходят даже на уровне отдельных нейронов, – говорит Уильямс.
Чтобы нейрон мог сравнивать информацию, поступающую из двух очень разных источников – внутренней модели и органов чувств, – ему нужны две «зоны интеграции», которые взаимодействуют друг с другом.
Одна область нейрона объединяет информацию, поступающую от внутренней модели, а другая – информацию, поступающую от органов чувств. Поскольку они разделены и взаимодействуют, можно провести сравнение между двумя типами информации.
Уильямс и Флетчер исследовали функцию более длинных нейронов из более толстого конца зрительной коры и обнаружили, что эти нейроны работают, как и ожидалось – они обладают двумя зонами интеграции.
Но это не относилось к более коротким нейронам.
"Получается, что они работают совсем по-другому," говорит Уильямс. "Электрически они даже более отчетливы, чем мы думали".
Действительно, у более коротких нейронов есть только одна зона интеграции для обработки сенсорной информации и внутренней модели. Следовательно, они не могут сравнивать два разных типа ввода.
"Один может выполнить сравнительную интеграцию, другой – нет," говорит Уильямс.
Таким образом, в зависимости от того, в какой части коры находятся эти нейроны – более толстые области по сравнению с более тонкими, – эти нейроны функционируют по-разному.
"Наша работа демонстрирует, что толщина неокортекса определяет не только анатомическое строение нейронов, но и их электрические свойства," говорит Флетчер.
"Результаты показывают сложность вычислительных стратегий, используемых в неокортексе, и предполагают, что неокортекс состоит из вычислительно гибких цепей."
Уильямс добавляет, "Эти результаты бросают вызов фундаментальным теориям работы неокортекса и создают основу для будущих исследований того, как работают сети этих мозговых цепей."
Следующий шаг – изучить, как эти различия влияют на познание и поведение, – говорит Флетчер.
В конце концов, учитывая важность поддержания и обновления нашей внутренней модели мира, почему некоторые нейроны отказываются от этого??
Высокоскоростная система для быстрой реакции?
Уильямс говорит, что есть подсказки по тому, как грызуны реагируют на определенные визуальные раздражители.
Он объясняет, что разные области зрительной коры исследуют отдельные области зрительного пространства. Передняя часть зрительной коры обрабатывает визуальную информацию, поступающую из пространства перед грызуном, тогда как задняя часть зрительной коры обрабатывает визуальную информацию сверху и немного позади грызуна.
Более того, было показано, что грызуны сверхчувствительны к визуальным раздражителям сверху, так как обычно именно там находятся хищники. Если тень проходит над головой, они замирают или бегут.
"Обработка информации может оказаться бесполезной в такой системе, скорее, может потребоваться инстинктивная реакция," говорит Уильямс. "Для обнаружения хищников и реагирования на них эффективная и быстрая зашитая система может иметь большое значение для выживания."
"Итак, одна идея состоит в том, что эти маленькие нейроны сверхчувствительны к входящим сигналам," говорит Уильямс, "эта информация будет распространяться непосредственно на выход потенциала действия без необходимости какой-либо дальнейшей интеграции, образуя высокоскоростную систему."
Действительно, область зрительной коры, чувствительная к стимулам сверху, является более тонкой областью, именно там, где расположены более короткие нейроны.
Другими словами, вычислительно гибкие схемы, которые позволяют мозгу проводить сравнения между внутренней моделью мира и чувствами, но при этом обеспечивают короткие пути, когда это необходимо, вероятно, очень полезны для того, как животные могут взаимодействовать со сложной средой, но могут быстро реагировать на выживать.