Результаты, опубликованные 19 июля в журнале Nature, пролили свет на потенциальные нейронные механизмы, участвующие в рабочей памяти и принятии решений.«Наше исследование — это шаг к тому, чтобы думать о мозге не с точки зрения активности отдельных нейронов, а, скорее, о том, что особенного в нейронах, когда они работают вместе», — сказал соавтор исследования Кристофер Харви, доцент кафедры нейробиологии в HMS. «Выявление того, как работают популяции нейронов и какие новые свойства могут возникнуть, помогает нам лучше понять механизмы, лежащие в основе сложных функций мозга».
Чтобы изучить, как популяции нейронов работают вместе в разных областях мозга, Харви и его коллеги, в том числе ведущий автор исследования Кэролайн Руньян, научный сотрудник по нейробиологии в HMS, а также Эудженио Пиазини и Стефано Панцери из IIT, обучили мышей выполнять простая задача в среде виртуальной реальности.Двигаясь по сферическому шару, который плавает на воздушной подушке, мыши перемещались по Т-образному лабиринту, который проецировался на экран перед ними. Им был представлен звук, и они должны были сообщить, исходит ли этот звук с их левой или правой стороны, повернув в том же направлении на Т-образном перекрестке.Лучше вместе
Когда мыши выполняли эту задачу, команда записывала активность групп нейронов, примерно по 50 за раз, из слуховой коры, которая обрабатывает звуковые стимулы, и задней теменной коры, которая получает информацию от слуховой коры и другие сенсорные области и связаны с более сложными когнитивными функциями.Используя недавно разработанные вычислительные методы, которые позволили им проанализировать одновременное влияние каждого нейрона на активность своих соседей, команда обнаружила, что популяции нейронов в слуховой коре, как правило, работают независимо друг от друга, при этом каждый нейрон оказывает незначительное влияние на другие.
Напротив, популяции нейронов задней теменной коры сильно влияли друг на друга и, по-видимому, работали совместно.Активность отдельных нейронов непродолжительна, но совокупности нейронов, работающих вместе, могут нести информацию в течение более длительных периодов времени, будучи активными в разные моменты времени.
В задней теменной коре сильная кооперативная активность позволяла группам нейронов нести информацию о задаче звуковой идентификации до секунды. Группы нейронов слуховой коры несли информацию всего за несколько сотен миллисекунд.
«Временная активация нейронов в слуховой коре отлично подходит для представления звука, который быстро колеблется», — сказал Харви. «Но мы думаем, что нейроны теменной коры работают вместе в более длительном временном масштабе, который мы наблюдали, потому что им необходимо интегрировать информацию с течением времени, чтобы сделать лучший выбор».В поддержку этой гипотезы команда обнаружила, что мыши с большей вероятностью сделают правильный выбор при навигации по лабиринту в испытаниях, в которых нейроны теменной коры, казалось, работали лучше как группа, с более сильной связью в активности нейронов. В испытаниях с более слабой связью мыши с большей вероятностью сделали неправильный выбор.
В то время как активность отдельных нейронов изучалась десятилетиями, последние достижения в области технологий позволили нейробиологам начать одновременное исследование больших групп нейронов. По словам Харви, результаты этого исследования важны для расшифровки того, как популяции нейронов взаимодействуют друг с другом, и выявления новых свойств, таких как различные временные шкалы активности, что позволяет исследовать высшие когнитивные функции.
«Мы надеемся, что если мы сможем понять сетевые и синаптические механизмы, ответственные за различия между теменной и слуховой корой, это может привести к пониманию механизмов, лежащих в основе краткосрочной или рабочей памяти», — сказал Харви. «Я думаю, что чем больше мы начнем разрабатывать инструменты и способы думать о популяциях нейронов, тем больше мы сможем понять мозг».