В ходе исследования нейробиологи из Университета Брауна отслеживали от клетки к клетке передачу нервных сигналов от глаз через мозг головастиков, когда они видели и реагировали на стимулы, включая явно приближающийся черный круг. Таким образом, исследователи смогли по-новому понять, как отдельные клетки вносят свой вклад в более широкую сеть, которая отличает надвигающиеся столкновения.
Основные задействованные схемы присутствуют у самых разных животных, включая людей, что неудивительно, учитывая, насколько фундаментальным является предотвращение столкновений в поведении животных.«Представьте, что вы гуляете по лесу и разговариваете со своим другом», — сказал Арсений Хахалин, доктор нейробиологов из Брауна и ведущий автор исследования, опубликованного в European Journal of Neuroscience. «Вы можете полностью поддерживать разговор и в то же время избегать стволов деревьев и кустарников, даже не думая о них сознательно.
Это потому, что у вас есть целая область в вашем мозгу, которая, среди прочего, посвящена этой задаче».Вращающийся хвост
Чтобы узнать, как работает предотвращение столкновений, Хахалин изучил задачу, используя головастиков в качестве модельного организма, потому что, как сказал старший автор и профессор нейробиологии Карлос Айзенман, они «достаточно сложны, чтобы вызывать интересное поведение, но имеют достаточно простую нервную систему, с которой можно справиться. комплексный экспериментальный подход ".Они начали с поведения избегания. С головастиками в тарелке наверху экрана они проецировали цифровые черные точки, представляющие виртуальные объекты, разной ширины, с разной скоростью и углами приближения. Они также просто мигали точками на месте.
Головастики будут убегать от приближающихся точек, пока они достигают определенного порогового углового размера, но редко реагируют на точки, которые просто мигают на сцену, но не движутся к ним. Ответ подтвердил, что головастики могут различать приближающиеся, а не просто ближайшие визуальные стимулы.
Затем исследователи попытались определить, как головастики обрабатывают различные раздражители. Для этого они держали головастиков на месте, демонстрируя множество простых анимаций с помощью оптоволоконного кабеля, проводимого рядом с глазом. Анимации включали вспыхивающий круг, явно приближающийся круг (он становился все больше и больше) и несколько промежуточных анимаций, таких как круг, который постепенно исчезал, а не просто появлялся.Пока головастики наблюдали за анимацией, исследователи отслеживали движения их хвостов с помощью высокоскоростной камеры (чтобы определить, выполняли ли головастики маневр бегства) и регистрировали электрические сигналы по схемам визуальной обработки: в зрительном нерве, ведущем от сетчатки к сетчатке. область тектума зрительного нерва головного мозга, на «возбуждающих» и «тормозных» синаптических входах нейронов в оптической оболочке и на выходах тектальных нейронов.
Ученые обнаружили, что головастики скорее всего определяют, что что-то приближается, а не просто присутствует, в тектуме, а не в сетчатке. Как они узнали? Наиболее сильное различие между ответами на кажущийся приближающимся кругом и ответами на другие стимулы, такие как мигающие или блеклые круги, было обнаружено на стадии выхода из тектальных нейронов.
Более того, разница в активности, связанной с приближением и миганием кружков, увеличивалась по мере того, как сигнал распространялся от зрительного нерва через вход тектума и выход тектума.«Тектум — первое место, которое реагировало на приближающиеся раздражители не просто иначе, а сильнее», — сказал Хахалин.Торможение сдерживает разговор
Смысл экспериментов заключался в том, что когда отдельные нейроны в тектуме однозначно активируются явно приближающимся стимулом, они коллективно генерируют сигнал для отправки в нижележащие части мозга, которые могут заставить хвост двигаться, чтобы избежать столкновения.Это действительно то, что делают возбуждающие нейроны, но исследователи хотели знать, какую роль играют тормозящие нейроны, особенно потому, что баланс тормозной и возбуждающей активности в тектуме варьировался в зависимости от различных стимулов.
Чтобы выяснить это, они химически заблокировали тормозящие нейроны в тектуме у одних головастиков, химически усилили их активность у других и оставили остальных головастиков неизменными в качестве контроля. Они обнаружили, что, когда они изменяли степень торможения в любом направлении, селективность выхода для встречного стимула терялась.
При блокировке торможения отдельные возбуждающие клетки также теряли свою избирательность. Когда ингибирование усиливалось, отдельные возбуждающие клетки сохраняли свою избирательность, но не могли коллективно передавать сигнал.Хахалин сказал, что данные, похоже, подтверждают идею о тормозящих клетках как способствующих функционированию сети.
Они не обязательно были ответственны за избирательность тектума. Вместо этого их способность сдерживать возбуждение позволяла сети клеток функционировать так, чтобы организованный сигнал от отдельных возбуждающих нейронов мог выходить из тектума.Команда смогла использовать эти результаты для создания концептуальной модели схемы стимула столкновения.Гипотеза Хахалина о том, как это работает, заключается в том, что тормозной / возбуждающий баланс позволяет тектуму создать необходимую степень возбуждения по поводу интересующего стимула (например, что-то стало больше), в то же время позволяя достаточно «успокоиться», чтобы рассмотреть следующую волну волнения. ввод (он снова стал больше).
Айзенман сказал, что статья иллюстрирует более широкий подход, который его лаборатория применяет к фундаментальным вопросам нейробиологии.«Это часть большого проекта, заключающегося в том, чтобы иметь возможность взять поведение целиком и разбить его на все его нейронные компоненты, чтобы построить модель, в которой мы можем понять, как активность отдельных нейронов и связей между ними может быть синергетической. чтобы произвести поведение », — сказал он.