Тормозящие интернейроны в зрительной коре (клетки PV — зеленые; клетки SST — красные) объединяются, чтобы регулировать надежность представления изображения возбуждающими нейронами. Фото: Мурат Йилдирим / Институт Пикауэра Массачусетского технологического института.
Когда дело доходит до обработки зрения, мозг полон шума. Информация движется от глаз через множество связей в мозгу. В идеале одно и то же изображение должно быть надежно представлено каждый раз одним и тем же способом, но вместо этого разные группы клеток зрительной коры могут стимулироваться одними и теми же сценами. Так как же мозг в конечном итоге обеспечивает точность обработки того, что мы видим? Группа нейробиологов из Института обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте выяснила это, наблюдая за мозгом мышей во время просмотра фильмов.
Исследователи обнаружили, что в то время как группы «возбуждающих» нейронов реагируют на появление изображений, тем самым представляя их в зрительной коре, активность двух типов «тормозящих» нейронов объединяется в аккуратно организованную схему за кулисами, чтобы обеспечить необходимую надежность. Исследователи смогли не только увидеть и проанализировать паттерны работы этих нейронов, но и как только они узнали, как работает схема, они взяли под контроль тормозные клетки, чтобы напрямую манипулировать тем, насколько последовательно возбуждающие клетки представляют изображения.
«Вопрос надежности чрезвычайно важен для обработки информации и, в частности, для ее представления — для того, чтобы сделать видение достоверным и надежным», — сказала Мриганка Сур, профессор нейробиологии Ньютона кафедры мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института и старший автор нового исследования в журнале. неврологии. «Одни и те же нейроны должны срабатывать одинаково, когда я смотрю на что-то, чтобы в следующий раз и каждый раз, когда я смотрю на это, это представлялось последовательно».
Ученый-исследователь Мурат Йилдирим и бывший аспирант Раджив Райхе руководили исследованием, которое потребовало ряда технических достижений. Например, чтобы наблюдать за работой сотен возбуждающих нейронов и двух разных тормозных нейронов, им потребовалось сконструировать их так, чтобы они мигали разными цветами под разными цветами лазерного света в их двухфотонном микроскопе. Получение контроля над клетками с помощью технологии под названием «оптогенетика» потребовало добавления еще большего количества генетических манипуляций и лазерных цветов. Более того, чтобы понять наблюдаемую ими клеточную активность, исследователи создали компьютерную модель трехсторонней схемы.
«Было интересно объединить все эти экспериментальные элементы, в том числе несколько разных цветов лазера, чтобы ответить на этот вопрос», — сказал Йилдирим.
Надежное представительство
Основное наблюдение команды заключалось в том, что, когда мыши неоднократно смотрели одни и те же фильмы, надежность репрезентации среди возбуждающих клеток варьировалась вместе с уровнями активности двух разных тормозных нейронов. Когда надежность была низкой, активность нейронов, экспрессирующих парвальбумин (PV), была высокой, а активность нейронов, экспрессирующих соматостатин (SST), была низкой. Когда надежность была высокой, активность PV была низкой, а активность SST была высокой. Они также увидели, что активность SST следовала за активностью PV во времени после того, как возбуждающая активность стала ненадежной.
По словам Сура, нейроны PV подавляют возбуждающую активность, чтобы контролировать свое усиление. Если бы они этого не сделали, возбуждающие нейроны стали бы насыщенными из-за потока поступающих изображений и перестали бы успевать за ними. Но это подавление усиления, по-видимому, происходит за счет того, что представление одних и тех же сцен одними и теми же ячейками становится менее надежным, говорится в исследовании. Между тем, нейроны SST могут подавлять активность нейронов PV. В компьютерной модели команды они представили трехстороннюю схему и смогли увидеть, что ингибирование нейронов SST нейронов PV срабатывает, когда возбуждающая активность становится ненадежной.
Команда смогла напрямую показать эту динамику, взяв под контроль клетки PV и SST с помощью оптогенетики. Например, когда они увеличили активность SST, они могли сделать ненадежную активность нейронов более надежной. А когда они увеличили фотоэлектрическую активность, они могли разрушить надежность, если бы она была.
Однако важно отметить, что они также увидели, что нейроны SST не могут обеспечить надежность без участия PV-клеток. Они предполагают, что это сотрудничество необходимо из-за различий в том, как клетки SST и PV ингибируют возбуждающие клетки. Клетки SST подавляют активность возбуждающих клеток только через связи или «синапсы» на шипованных усиках, называемых дендритами, которые простираются далеко от тела клетки или «сомы». Клетки PV подавляют активность самого тела возбуждающих клеток. Ключом к повышению надежности является обеспечение большей активности тела клетки. Поэтому для этого нейроны SST должны подавлять ингибирование, обеспечиваемое клетками PV. Между тем, подавление активности дендритов может уменьшить шум, поступающий в возбуждающую клетку из синапсов с другими нейронами.
«Мы демонстрируем, что ответственность за модуляцию надежности ответа не лежит исключительно на одном подтипе нейронов», — пишут авторы в исследовании. «Вместо этого для управления временной точностью сенсорной обработки важна кооперативная динамика между SST и PV [нейронами]. Потенциальной биофизической функцией цепи SSTàPV может быть максимальное увеличение отношения сигнал / шум возбуждающего нейроны, минимизируя шум в синаптических входах и увеличивая выбросы в соме».
Сур отметил, что активность нейронов SST не просто модулируется автоматической обратной связью внутри этой цепи. Они также могут управляться «сверху вниз» сигналами из других областей мозга. Например, если мы осознаем важность определенного изображения или сцены, мы можем произвольно сконцентрироваться на них. Это может быть реализовано путем передачи сигналов SST нейронам для повышения надежности активности возбуждающих клеток.
