Как мозг находит порядок в море шума и хаоса? Ученые нашли ответ, используя передовые методы моделирования, чтобы выяснить, как нейроны общаются друг с другом. Ученые обнаружили, что, работая в команде, корковые нейроны могут реагировать даже на слабые сигналы на фоне шума и хаоса, позволяя мозгу навести порядок. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Communications.
Актуальность проблемы
Нейроны общаются друг с другом, посылая быстрые импульсы электрических сигналов, называемых пиками. На первый взгляд, генерация этих пиков может быть очень надежной: когда изолированному нейрону неоднократно подается одинаковый электрический сигнал, определяется одна и та же схема пиков. Почему же тогда активность корковых нейронов у животного колеблется и действительно кажется такой изменчивой?
Материалы и методы обследования
На сегодняшний день самым близким приближением кортикальной ткани в модели является биологически детализированная цифровая реконструкция неокортикальной микросхемы крысы (Cell, 2015). Эта компьютерная модель предоставила исследователям идеальную платформу для изучения того, в какой степени могут быть восприняты сигналы отдельных нейронов, поскольку она содержит ограниченные данными модели ненадежной передачи сигнала между нейронами.
Ученые изучили происхождение и природу внутренней изменчивости коры с помощью биофизической модели неокортикальной микросхемы с биологически реалистичными источниками шума.
Результаты научной работы
Для этого есть 2 причины. Во-первых, при передаче сигнала другому нейрону процесс может иногда давать сбои, и эти сбои непредсказуемы – например, бросание кубика, чтобы принять решение о результате.
«По нашим оценкам, вероятность синапса между двумя кортикальными пирамидальными нейронами, пропускающими химический сигнал нейромедиатора, может составлять всего 10%», – объясняет автор исследования Макс Нолте (Max Nolte).
Эта неопределенность означает, что нейрон будет каждый раз по-разному воспринимать одно и то же сообщение, отправленное другими нервными клетками.
Во-вторых, когда 2 фундаментальных типа корковых нейронов (возбуждающий и тормозной) взаимосвязаны в сети, небольшие неопределенности в характере активности усиливаются. Это приводит к непредсказуемым закономерностям, к поведению, которое называется хаосом. Этот фон шума и хаоса говорит о том, что отдельные корковые нейроны не могут найти порядок и запустить надежные пики, и поэтому мозг должен наверняка «усреднить» активность многих нейронов – “слушать весь хор вместо отдельных певцов».
Симуляция нейробиологии находит ответ
Экспериментальные манипуляции, необходимые для распутывания источников шума в мозге и оценки их влияния на нейронную активность, в настоящее время невозможно выполнить на животном in vivo или даже в отдельной мозговой ткани in vitro.
«На данный момент просто невозможно контролировать тысячи входов в мозг для нейрона in vivo, а также включать и выключать различные источники шума», – объясняет Нолте.
Используя модель, ученые обнаружили, что активность, которая спонтанно генерируется из взаимосвязанных нейронов, является очень шумной и хаотичной, изображая очень разные времена всплеска в каждом повторении.
«Мы заметили, что ненадежные нейротрансмиттерные сигналы усиливаются за счет периодической динамики сети, вызывая быстро разрушающуюся память о прошлом – море шума и хаоса», – рассказывает Нолте.
Надежные ответы среди шума и хаоса
Но, конечно, мозг млекопитающего не имеет быстро разрушающейся памяти. На самом деле, пожалуй, самое захватывающее понимание результатов заключается в том, что время всплеска, которое было крайне ненадежным во время спонтанной активности, стало очень надежным, когда схема получила внешние входы. Это явление было результатом сильного внешнего воздействия, напрямую подталкивающего нейроны к надежным ответам. Даже слабый таламокортикальный ввод может ненадолго переключить сеть в режим высоконадежного пика. В этот момент взаимодействия между нейронами, которые в противном случае усиливают неопределенность и хаос, наоборот, улучшают надежность и позволяют мозгу наводить порядок.
Выводы
«Таламокортикальные стимулы могут обеспечить надежное время пика с точностью до миллисекунды на фоне шума и хаоса. Удивительно, но мы смогли продемонстрировать, что этот эффект опирается на корковые нейроны, работающие в команде. Таким образом, наша модель показывает, что шум и хаос в сетях корковых нейронов совместимы с надежным пиком, что позволяет мозгу навести порядок. Это говорит о том, что сильно колеблющаяся активность корковых нейронов у животного отражает порядок, а не шум и хаос», – заключает Нолте.
Авторы другого исследования утверждают, что глубокая стимуляция мозга облегчает симптомы болезни Паркинсона, повышая допамин.
