Новое исследование показало, что нейронные цепи в мозгу быстро выполняют многозадачность между обнаружением и распознаванием сенсорных сигналов, таких как фары на расстоянии. Это отличается от того, как работают электронные схемы, где одна схема выполняет очень конкретную задачу.
Исследование показало, что мозг устроен таким образом, что позволяет одним путем выполнять несколько задач.
«Мы показали, что цепи в мозгу изменяются или адаптируются в ситуациях, когда вам нужно что-то обнаружить, а не в тех случаях, когда вам нужно различать мелкие детали», — сказал Гарретт Стэнли, доцент Wallace H. Колтер, Департамент биомедицинской инженерии Технологического института Джорджии и Университета Эмори, лаборатория которого проводила исследования. "Одна из вещей, в которой хорош мозг, — это делать несколько вещей. У инженеров проблемы с этим."
Результаты исследования были опубликованы 5 марта в журнале Neuron.
Расстояние, на котором человек может различить две фары от одного источника света, зависит от остроты сенсорных путей тела. На протяжении десятилетий нейробиологи предполагали, что уровень остроты зрения человека определяется расстоянием между областями мозга, которые запускаются сенсорными сигналами. Если эти две области мозга тесно пересекаются, то два сенсорных входа — две фары вдалеке — будут выглядеть как один, как мы думали.
В новом исследовании впервые использовались модели животных и оптическая визуализация, чтобы напрямую оценить, как острота зрения контролируется в головном мозге и как острота зрения может адаптироваться к выполняемой задаче. Исследование показало, что одна нейронная цепь может делать разные вещи и делать их надежным образом.
«Общая проблема, которая не совсем понятна, заключается в том, как информация о внешнем мире попадает в наш мозг, в эти паттерны электрической активности, которые в конечном итоге позволяют нам воспринимать внешний мир», — сказал Стэнли. "Эта статья прямо указывает на связь между тем, что делает мозг, как он активируется и что это означает для восприятия."
Сенсорная информация закодирована в мозгу, так же как последовательности генов в коде ДНК для некоторого физического представления. В мозгу есть соответствующие коды, когда зрительный путь обнаруживает объект, например чашку кофе. В мозгу есть представление, которое превращает эти данные в ощущения.
По словам Стэнли, исследователям еще предстоит адекватно количественно оценить связь между определением того, существует ли объект и различением более мелких деталей о том, что это за объект.
«Удивительно, но мы не очень хорошо понимаем проблемы нейронного кодирования ни в нормальной физиологии, ни в болезненных состояниях», — сказал Стэнли. «Я считаю, что быть инженером, который работает над этим, — это здорово, потому что инженеры любят очень сложные системы и думают о них."
Чтобы узнать подробности остроты зрения мозга, исследователи изучили животное с высоким уровнем остроты зрения — крысу. Крысы — ночные животные, которые используют свои усы, чтобы чувствовать внешний мир. Их усы расположены рядами, и кусочки мозговой ткани соответствуют этим отдельным усам.
Это похоже на то, как поверхность человеческого тела отображается на поверхности мозга. Когда усы крысы касаются чего-либо, активируется определенная часть мозга.
Когда палец касается чего-либо, активируется определенная часть мозга.
«Когда мы визуализируем мозг, мы можем перемещать усы на стороне лица, а на противоположной стороне мозга есть небольшая горячая точка, которую вы можете отобразить в реальном времени», — сказал Стэнли.
Исследователи отклонили усы крыс, а затем использовали технологию оптической визуализации, чтобы наблюдать за активированными областями мозга и измерить перекрытие между этими областями. Крыс также обучали выполнять конкретную задачу в зависимости от того, какой усик отклонялся.
Исследователи обнаружили, что проводящие пути в мозге могут переключаться между выполнением различных задач, таких как обнаружение сенсорного ввода и решение, что делать с этой информацией.
«Та же схема, те же клетки, но делают что-то другое в двух разных контекстах», — сказал Стэнли.
Когда инженеры хотят, чтобы схема что-то делала, они создают схему, специально предназначенную для этой задачи. Когда они хотят, чтобы схема выполняла другие функции, они строят другую схему.
Но в мозгу адаптивно меняется путь между умением что-то обнаруживать и умением что-то различать, как показало исследование.
«Как инженер, я не могу спроектировать схему, которая могла бы это сделать», — сказал Стэнли. "Здесь мозг выскакивает и говорит: ‘Я лучше тебя в этом.’"
Узнать больше о том, как многозадачные цепи в мозге могут привести к лучшему пониманию болезни, терапевтических применений или к потенциальному улучшению функций мозга.
Стэнли сказал, что в будущем инженеры смогут экспериментально манипулировать цепями мозга для выполнения желаемой задачи.
"Можем ли мы научить людей делать что-то лучше??
Можем ли мы заставить их обнаруживать вещи быстрее или различать вещи с большей остротой??"Стэнли сказал. «Используя современные методы, мы считаем, что можем реально влиять на схему и заставить ее выборочно получать один вид информации из внешнего мира, а не другой."
Исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения (NIH) и Национальным научным фондом (NSF).