Когда фоторецепторы в сетчатке глаза обнаруживают свет, они передают информацию в первичную зрительную кору головного мозга для обработки изображений. Ученые из исследовательского кампуса Janelia при Медицинском институте Говарда Хьюза, изучающие зрительную систему у мышей, теперь обнаружили, что сигнал, получаемый зрительной корой головного мозга, настроен на то, чтобы сигнализировать об ориентации и направлении движения зрительного стимула.
Открытие удивительно, говорит На Джи, руководитель группы Джанелия, который руководил исследованием, потому что исследователи долгое время считали, что эти особенности отсутствовали в информации, которая поступает в первичную зрительную кору, и поэтому ориентация и направление стимула должны быть определяется с помощью нейронных вычислений в этой части мозга. Джи и ее коллеги сообщили о своих открытиях в качестве предварительной онлайн-публикации журнала Nature Neuroscience 21 декабря 2015 года.
По словам Джи, визуальная система чувствительна к ориентации краев изображения, поясняя, что именно поэтому мы сразу распознаем объекты в простых линейных рисунках или мультфильмах, даже если изображениям не хватает цвета или деталей. Точно так же система чувствительна к движению – движущийся объект привлекает наше внимание даже в многолюдной сцене.
Ученым давно известно, что в зрительной коре есть нейроны, активность которых соответствует определенным ориентациям или направлениям движения. Нобелевские лауреаты нейробиологи Торстен Визель и покойный Дэвид Хьюбел впервые обнаружили такие клетки в 1950-х и 1960-х годах, изучая зрительную обработку у кошек. Но данные также, по-видимому, предполагают, что сигналы, которые поступают в первичную зрительную кору – передаваемые от сетчатки через структуру мозга, называемую таламусом, – явно не сообщают об ориентации или направлении движения. Вместо этого релейные клетки таламуса оказались одинаково отзывчивыми на зрительные стимулы независимо от этих особенностей. "В течение многих лет люди думали, что эта избирательность генерируется внутри самой коры головного мозга," Джи говорит.
Несколько лет назад другие ученые обнаружили ориентировочно-селективные клетки в таламусе мышей, но было неизвестно, передается ли эта информация в зрительную кору. Джи, который не только изучает нейронные цепи, но и разрабатывает новые технологии визуализации, чтобы продвинуть эти исследования, был в уникальном положении, чтобы изучить эти входные данные более внимательно.
Микроскопические изображения структур в головном мозге обычно не видны из-за окружающей ткани, которая искривляет и рассеивает свет при прохождении через него. Таким образом, хотя сами клетки кажутся разными, их более тонкие структуры, включая ветви и выступы, через которые они общаются с другими клетками, не могут быть различимы. Но с 2010 года, сначала с руководителем группы Janelia и лауреатом Нобелевской премии Эриком Бетцигом, а затем во главе собственной команды, Джи разработала ряд решений этой проблемы. Их подходы основаны на адаптивной оптике, которая корректирует аберрации на изображении микроскопа. Хотя адаптивная оптика относительно нова в микроскопии, астрономы уже давно используют ее для коррекции изображений телескопов с учетом аберраций, возникающих при прохождении света через турбулентную атмосферу Земли. Инновации в области адаптивной оптики позволили ее команде увидеть структуры мозга глубже. В более широком смысле, Джанелия находится в авангарде применения адаптивной оптики к различным методам визуализации.
Используя адаптивную оптику, Джи и ее команда смогли найти и измерить активность примерно в 28000 точках, где клетки таламуса доставляли данные в клетки первичной зрительной коры. Они протестировали ответы на эти входы, когда мышам были представлены изображения дрейфующих черных полос.
Около половины таламических входов в четвертом слое зрительной коры, где принимается большинство таламических входов, были активны только тогда, когда черная полоса имела определенную ориентацию, причем некоторые клетки предпочитали горизонтальные полосы, а другие клетки предпочитали вертикальные полосы. Джи говорит, что здесь очень важна адаптивная оптика – без нее те же эксперименты показали бы, что только 9 процентов входных данных передавали информацию об ориентации.
Около половины чувствительных к ориентации входов также были избирательными для стимулов, движущихся в определенном направлении. Многие были особенно чувствительны к движению сзади к животному спереди, что было бы особенно важным сигналом для животного, которому нужно знать, когда его преследуют хищники. Не все направления движения были представлены таламическими входами, однако.
После того, как они установили, что вход в зрительную кору головного мозга несет информацию о направлении и ориентации, Джи и ее команда исследовали, как эта информация была представлена как информация, проходящая через другие области зрительной коры. Они обнаружили, что клетки в слое 4 не только сохраняли эту информацию, но также передавали новую информацию о направлении, которая не была предоставлена таламическими входами. "Некоторые нейроны в слое 4 могут напрямую наследовать настройку своих входов," Джи говорит, "в то время как другие, вероятно, генерируют свою избирательность, выполняя вычисления с визуальной информацией, поступающей на их входы."
Дальнейшие эксперименты показали, что повышенная чувствительность к стимулам, движущимся от задней части к передней, теряется к тому времени, когда информация достигает следующего шага визуальной обработки в слое 2/3 коры головного мозга, что обеспечивает более равное представление всех компонентов изображения. Однако Джи и ее коллеги увидели, что эта предвзятость вновь проявляется в слое 5, части зрительной коры, которая отправляет информацию в другие части мозга. Это может представлять собой ярлык, с помощью которого зрительная система может быстро предупреждать другие части мозга о важной информации, позволяя мыши реагировать на движение сзади, не дожидаясь, пока кора головного мозга вычислит, в каком направлении движется стимул, говорит она.