CentralAsia (CA) — Нейробиологи из 22 лабораторий объединили усилия в беспрецедентном международном партнерстве для создания эпохального достижения: нейронной карты, которая показывает активность всего мозга во время принятия решений.
Данные, полученные от 139 мышей, охватывают активность более 600 000 нейронов в 279 областях мозга — около 95% мозга мыши. Эта карта впервые предоставляет полную картину происходящего в мозге при принятии решения.
«Они создали самый большой набор данных, который когда-либо можно было себе представить в таком масштабе», — сказал об исследователях доктор Пол В. Глимчер, заведующий кафедрой нейробиологии и физиологии и директор Института нейробиологии в Медицинской школе Гроссмана Нью-Йоркского университета.
Глимчер, не принимавший участия в новом исследовании, заявил CNN: «В области нейронауки это войдет в историю как крупное событие».
Чтобы построить карту, исследователи сначала разработали стандартизированную процедуру для всех лабораторий, а затем отслеживали нейронную активность мышей, реагирующих на визуальные подсказки, интегрируя все данные, собранные каждой лабораторией. Результаты, работа над которыми заняла семь лет и представленные в двух исследованиях, были опубликованы 3 сентября в журнале Nature.
«По сути, получены два важных результата, поэтому у нас две статьи», — сказал Александр Пуже, профессор фундаментальной нейронауки Женевского университета. В одном исследовании описывалось широкое распределение электрической активности, связанной с принятием решений. В другом данные использовались для оценки того, как ожидания влияют на выбор. Пуже является соавтором первого исследования и старшим автором второго.
«Мы начали с нуля», — сказал он CNN. «Никто раньше не пытался сделать что-то подобное».
Предыдущие исследования предполагали, что во время принятия решений небольшие скопления нейронов активируются лишь в некоторых областях мозга, в основном в областях, связанных с сенсорной информацией и когнитивными функциями. Однако новая карта показывает, что нейронная активность гораздо более обширна: электрические сигналы пронизывают практически весь мозг мыши на разных этапах принятия решений.
От одного нейрона до тысяч одновременно
Десятилетиями учёные изучали активность мозга во время выполнения определённых задач, используя электроды, регистрирующие электрические импульсы от отдельных нейронов. Однако регистрация активности каждого нейрона — сложный и медленный процесс; несколько месяцев работы дали бы результаты примерно от 100 нейронов, что делает этот метод наиболее подходящим для изучения узких областей мозга.
За последнее десятилетие нейронаука сделала огромный шаг вперёд благодаря разработке цифровых нейронных зондов, называемых нейропикселями , которые могут одновременно отслеживать состояние тысяч нейронов. Эти чувствительные электроды стали важнейшим инструментом для создания новой карты.
«Мы перешли от изучения всего нескольких сотен нейронов в одной области к изучению 600 000 нейронов во всех регионах мозга», — сказал Пуже.
В ходе экспериментов мыши, надев электродные шлемы, вращали миниатюрный руль, управляя движением чёрно-белого полосатого круга на экране. Круг на короткое время появлялся либо слева, либо справа на экране, и мыши, успешно доведшие круг до центра, получали награду в виде сахарной воды. По мере того, как мыши реагировали на увиденное, датчики Neuropixels регистрировали электрические сигналы в их мозге.
Согласно карте, активность сначала резко возросла в затылочной части мозга, в областях, обрабатывающих визуальную информацию. Затем активность распространилась по всему мозгу, причём зоны, отвечающие за двигательную активность, активировались, когда решение мыши достигало кульминации в движении. Широко распространённая активность мозга наблюдалась после того, как мышь получала сладкое вознаграждение.
«В этом участвуют не просто несколько областей, а очень большая сеть областей, работающих вместе», — сказал Пуже. По словам авторов исследования, понимание того, какая часть мозга участвует в принятии решений, поможет исследователям проводить более целенаправленные исследования сложного поведения.
Исследователи также добавили мышам дополнительную задачу. Иногда круг был размытым или почти невидимым. Чтобы решить, в какую сторону повернуть колесо для получения награды, мышь должна была вспомнить, что она видела во время предыдущих попыток.
«Это называется априорным знанием», — сказал Пуже. «Каждое ваше решение принимается именно так».
Нейробиологи ранее выдвигали гипотезу, что мозг обращается к предшествующим знаниям на ранней стадии принятия решений, «поэтому, как только вы начинаете обрабатывать сенсорный стимул, вы делаете это в контексте того, чего ожидаете», — сказал Пуже.
Он отметил, что карта мозга продемонстрировала правильность этого прогноза.
«Цифровое исследование неба Слоуна для мозга»
Глимчер отметил, что подобно тому, как масштабное международное сотрудничество в других дисциплинах изменило методы ведения науки, масштаб работы, в результате которой была создана карта активности мозга, является переломным моментом для нейронауки.
«Традиционно биологические науки развивались в рамках отдельных лабораторий», в отличие от многолабораторного сотрудничества, которое часто встречается в физике и астрономии, сказал он. Ярким примером является проект Sloane Digital Sky Survey , в котором участвуют сотни астрофизиков и астрономов, и который позволил создать самые подробные трёхмерные карты Вселенной из когда-либо созданных, охватывающие более трети ночного неба.
«Слоуновское цифровое исследование неба произвело революцию в способах сбора астрономических данных и их распространения среди астрофизиков», — сказал Глимчер. Целью исследовательской организации, стоящей за картой мозга, — Международной лаборатории мозга, — «было создание Слоуновского цифрового исследования неба для мозга».
В идеале, добавил Пуже, соучредитель IBL, эта карта станет первым из многих крупномасштабных совместных проектов нейробиологов: «Мы очень надеемся, что это вдохновит другие группы начать работать с таким подходом».
Минди Вайсбергер — научный писатель и медиапродюсер, чьи работы публиковались в журналах Live Science, Scientific American и How It Works. Она является автором книги « Восстание зомби-багов : удивительная наука паразитического контроля над сознанием» (издательство Hopkins Press).