Швейцарские исследователи смогли связать сетчатку кролика с чипом в пробирке. Именно она помогла понять, как нейроны обрабатывают информацию. Подробности исследования можно узнать из статьи журнала Neuron.
В своём эксперименте команда Франке связала сетчатки кроликов с компьютерной микросхемой, содержащей 11000 плотно оснащённых электродов. Затем они перемещали яркий предмет мимо сетчаток. Нейробиологи смогли сделать запись сигналов в фоторецепторах в качестве данных через электроды.
Нистагм представляет собой генетически обусловленную болезнь, которая вызывает безудержное подергивание глазного яблока. Страдает от него примерно один из 1500 мужчин. Но до настоящего времени не знали, что это подергивание вызвано относящимися к сетчатке глаза нейронами, которые делают просчёты, преобразовывая визуальные стимулы в электрические сигналы.
Как же мозг, к которому относится и сетчатка, понимает, какая информация содержится в стимуле? До сих пор было известно, что нейроны отвечают на стимулы, выдавая залпы электрических сигналов, которые передаются через синапсы к другим нервным клеткам. Информация о стимуле фактически воплощается в числе импульсов и во временных интервалах между ними. Но то, как прочесть и записать эти коды — всё ещё предмет дебатов среди нейробиологов.
Полезный шум
Феликс Франке (Felix Franke) из Лаборатории Биоинженерии Швейцарской высшей технической школы Цюриха приблизился на один шаг ближе к пониманию этого процесса — по крайней мере, к пониманию того, насколько вовлечена сетчатка. В недавно опубликованном в журнале Neuron исследовании, команда Франке исследует, полезнее ли для мозга «услышать» целый оркестр нейронов или только отдельные нервные клетки. Они выяснили, что если мозг слышит их всех, то он может узнать больше о стимуле, который вызвал импульсы — так же, как и картина, которую только что видел глаз.
В своем эксперименте команда Франке связала сетчатки кроликов с компьютерной микросхемой, содержащей 11000 плотно оснащённых электродов. Затем они перемещали яркий предмет мимо сетчаток. Нейробиологи смогли сделать запись сигналов в фоторецепторах в качестве данных через электроды.
Основная проблема состоит в том, что нервные клетки часто отвечают по-другому на тот же самый стимул, который мешает формировать заключения об оригинальном стимуле.
«Если стимул будет номером три, то один нейрон, возможно, даст нам два, и нейрон рядом с ним — четыре. Если мы берём их среднее число, то ответ правильный. Рассматриваемый индивидуально, каждый ответ был бы неправильным. «Оркестр» таким образом более точен, чем отдельные нейроны»,
— объясняет этот так называемый «шум сигнала» при помощи метафоры игры в кости Франке.
Это подтвердилось нейробиологом Фелипе Герхардом (Felipe Gerhard), который получил докторскую степень в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL) и в настоящее время принимает участие в исследовании в Университете Брауна (Brown University) в Провиденсе, США. Эксперименты с сетчатками кролика помогли ему выделить паттерны в этом шуме сигнала, позволяя лучше распознавать визуальные стимулы. Эти находки должны стать твёрдым основанием для будущего исследования в области нервного кодирования.
Но этот случайный шум сигнала в мозге может иногда также препятствовать связи между нейронами.
«Эволюция нашла способы иметь дело с этим шумом и даже использовать его»,
— говорит Герхард. Он подчёркивает, что это особенно полезно для креативного мышления.
Протезы с осязанием
Франке полагает, что эти результаты могли бы в будущем использоваться в терапевтических целях.
«Если мы можем понять, как нейронные сети функционируют, тогда мы сможем также лучше понять болезни, которые связаны с ними»,
— отмечает исследователь.
Франке принял участие в исследовании, изданном в начале 2016 года, где впервые обозначилась связь между нистагмом человеческого глаза и мальформацией сетчатки у мышей. По словам исследователя, это был первый раз, когда сбой в нервной обработке признан фактором человеческой болезни.
В Университете Брауна Герхард также видит возможность терапевтических применений — таких как протезы, которыми управляют мысли. Протезы руки, возможно, могут даже описаться в нейронной сети мозга и таким образом воссоздать осязание.
В настоящее время Герхард работает с больными эпилепсией, измеряя и анализируя их нервную деятельность во время приступов эпилепсии. Здесь паттерны в шуме сигнала также играют роль:
«Это могло позволить нам предсказывать приступы эпилепсии. Как только приступ начинается, мы можем попытаться стимулировать эти нейроны активно, и таким образом подавить неправильный паттерн»,
— говорит исследователь.
Structures of Neural Correlation and How They Favor Coding by Felix Franke, Michele Fiscella, Maksim Sevelev, Botond Roska, Andreas Hierlemann, and Rava Azeredo da Silveira in Neuron. Published online January 2016 doi:10.1016/j.neuron.2015.12.037