В нашем мозгу есть трехмерный мир. Это пейзаж, имитирующий внешний мир, где объекты, которые мы видим, существуют в виде совокупностей нейронных цепей и электрических импульсов.
Теперь ученые из Института биологических исследований Солка используют новые инструменты, которые они разработали, чтобы составить карту этого мира, что является ключевым шагом в революционном исследовании неврологической основы зрения.
Впервые ученые создали нейронные карты областей мозга мыши, которые обрабатывают различные виды визуальной информации, заложив основу для расшифровки схем мозга с использованием только передовых методов генетического исследования. в мышах.
"В области когнитивных исследований это помещает мышь на карту – помещая карту на мышь," говорит Джеймс Маршел, научный сотрудник Солка. Маршел и Марина Гарретт, аспирантка Калифорнийского университета в Сан-Диего, были ведущими авторами статьи, в которой сообщалось об успехах в выпуске Neuron от 22 декабря.
Чтобы понять чрезвычайно сложные вычисления человеческого мозга, в том числе те, что лежат в основе зрительного познания, ученые в основном полагались на исследования приматов, таких как обезьяны, наших ближайших родственников в животном мире и наиболее похожих на нас с точки зрения когнитивных способностей.
Исследователи определили, какие части мозга приматов обрабатывают различные аспекты сенсорной информации, которую они собирают из внешнего мира. В частности, многое известно о том, какие области мозга приматов обрабатывают определенную визуальную информацию, помогая им идентифицировать объекты и отслеживать их движения в трехмерном пространстве.
"Мы многое узнали о том, как наши глаза передают информацию в наш мозг, и огромная часть нашего мозга посвящена обработке этой информации," говорит Эдвард Каллауэй, профессор Лаборатории системной нейробиологии Солка, чья лаборатория проводила исследование. "Зрение – потрясающая система для понимания того, как работает мозг, и, в конечном итоге, для изучения психических заболеваний и сознания."
Появляются новые мощные научные инструменты, которые могут позволить ученым лучше понять человеческий мозг, изучая относительно более простой мозг мышей. Эти методы позволяют ученым изменять гены, инструкции в ДНК, которые контролируют поведение клеток, включая нейроны, которые формируют мозговые цепи. Используя генетические методы для картирования мозговых связей и контроля активности клеток, ученые надеются создать подробные электрические схемы мозга и исследовать, как эти цепи функционируют.
"Хотя мыши не могут заменить работу, выполняемую на обезьянах, эти методы исследования на мышах используются гораздо дальше, чем на обезьянах," Каллавей говорит. "Возможность изменять нейронную активность с помощью генетических инструментов и изучать возникающие в результате изменения мозговой и нервной активности революционизирует нейробиологию."
Хотя такие методы генной инженерии на мышах обладают огромным потенциалом, мало что было известно о том, какие области зрительной коры головного мозга мыши – высокоуровневые области мозга, которые вычисляют значение сигналов от глаз – отвечают за обработку различных элементов зрительной информации.
Чтобы исправить это, Каллавей и его коллеги решили нанести на карту систему визуальной обработки мыши. Они вводили мышам чувствительный к кальцию флуоресцентный краситель, который светится при воздействии света определенного цвета. Количество кальция в нервных клетках варьируется в зависимости от уровня активности нейронов, поэтому ученые могли измерить активность клеток мозга в зависимости от того, насколько ярко они светятся.
Затем ученые отображали различные типы визуальных стимулов на телевизионном мониторе и записывали, какие участки мозга светятся. Для записи они использовали камеру с высоким разрешением, способную различать активность отдельных нервных клеток.
Они обнаружили, что поле зрения мыши, область трехмерного пространства, видимого ее глазами, представлено соответствующим набором нейронов в ее мозгу. Исследователи точно записали, какие нейроны были связаны с какой областью поля зрения животного.
Ученые изучили семь различных областей зрительной коры головного мозга животного, содержащих полный нейронный комплекс "карты" видимого внешнего мира, и обнаружил, что каждая область играет особую роль в обработке визуальной информации. Например, некоторые области были более чувствительны к направлению движения объектов в пространстве, в то время как другие области были сосредоточены на различении мелких деталей.
Имея в руках эти карты функций мозга, исследователи Солка и другие специалисты теперь имеют базовый уровень, с которым они могут сравнивать функцию мозга мышей, у которых функция контура регулируется с помощью генетических методов. В конечном итоге, говорит Каллавей, детальное понимание того, как работает мозг мыши, проливает свет на работу человеческого разума.
"Это дает нам новые способы исследовать нейронные основы сознания и определять, что идет не так в нервных цепях в случае таких заболеваний, как шизофрения и аутизм," Каллауэй сказал.