До недавнего времени нейробиологи считали, что активная активность в зрительной части мозга, называемой нижневисочной (ИТ) корой, означает, что человек смотрит на что-то новое, например, лицо незнакомца или невиданную ранее картину. С другой стороны, меньшая активность ИТ-коры головного мозга свидетельствовала о знакомстве.
Но кое-что в этой теории, называемое подавлением повторений, не поддержало нейробиолога Университета Пенсильвании Николь Раст. «Различные изображения вызывают разную степень активации, даже если все они новые», – говорит Раст, доцент кафедры психологии. Помимо этого, другие факторы – например, яркость изображения или его контраст – приводят к аналогичному эффекту.
В статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, она и доктор наук Вахид Мехрпур вместе с научным сотрудником Пенна Трэвисом Мейером и Ээро Симончелли из Нью-Йоркского университета предлагают новую теорию, в которой мозг понимает уровень активация, ожидаемая от сенсорного ввода, и корректирует его, оставляя сигнал для ознакомления. Они называют это сенсорным подавлением.
Зрительная система
Лаборатория Раста специализируется на системах и вычислительной нейробиологии, которая объединяет измерения нейронной активности и математическое моделирование, чтобы выяснить, что происходит в мозге.
Один аспект относится к зрительной системе. «Большая центральная проблема видения – как передать информацию из мира в наши головы интерпретируемым образом. Мы знаем, что наши сенсорные системы должны это сломать », – говорит она.
Это сложный процесс, здесь для ясности он сильно упрощен: информация попадает в глаз через палочки и колбочки. Он перемещает нейрон за нейроном через стек областей мозга, составляющих зрительную систему, и, наконец, к зрительной области мозга, называемой ИТ-корой.
Его 16 миллионов нейронов активируются по разным паттернам в зависимости от того, что просматривается, и мозг должен затем интерпретировать паттерны, чтобы понять, что он видит.
"Вы получаете один узор для определенного лица. У вас будет другой узор для кофейной чашки.«У вас будет другой узор для карандаша», – говорит Раст. "Это то, что делает зрительная система. Он создает резервную копию мира, чтобы помочь вам расшифровать то, на что вы смотрите."
Считается, что в дополнение к своей роли в зрении активация ИТ-коры также играет роль в памяти. Подавление повторения, старая теория, основывается на идее о том, что существует порог активации, который преодолевается: большее количество нейронной активности сообщает мозгу, что изображение является новым, меньшее – указывает на то, что было раньше.
Поскольку несколько факторов влияют на общий объем нейронной активности, также называемой спайками, в ИТ-коре, мозг не может различить, что конкретно вызывает реакцию. Это может быть память, контраст изображения или что-то еще, говорит Мерпур. «Мы предлагаем новую идею о том, что мозг корректирует изменения, вызванные этими другими факторами, в нашем случае – контраст», – говорит он.
После этой калибровки остается только активация изолированного мозга для знакомства. Другими словами, мозг понимает, когда он смотрит на то, что он видел ранее.
Долгосрочные последствия
Чтобы сделать этот вывод, исследователи представили последовательности изображений в оттенках серого двум взрослым самцам макак-резус. Каждое изображение появлялось ровно дважды: первый раз как новое, второй раз как знакомое, в различных сочетаниях с высокой и низкой контрастностью. Каждый просмотр длился ровно полсекунды.
Животные были обучены использовать движения глаз, чтобы указывать, является ли изображение новым или знакомым, не обращая внимания на уровни контрастности.
Когда макаки выполняли эту задачу памяти, исследователи регистрировали нейронную активность в ИТ-коре, измеряя спайки для сотен отдельных нейронов, – уникальный метод, который отличается от методов, которые измеряют прокси нейронной активности, усредненной по 10 000 срабатывающих нейронов.
Поскольку Rust и его коллеги хотели понять нейронный код, им нужна была информация для отдельных нейронов.
Используя математический подход, они расшифровали образцы шипов, которые объясняли, как макаки могли отличать память от контраста. Это в конечном итоге подтвердило их гипотезу. «Знакомство и контраст изменяют общую скорость стрельбы, – говорит Раст. "Мы говорим, что мозг может разделять и изолировать одно от другого."
По словам Мерпура, в будущем, лучшее понимание этого процесса может найти применение в искусственном интеллекте. «Если мы знаем, как мозг представляет и перестраивает информацию в памяти при наличии изменений в сенсорной информации, такой как контраст, мы можем разработать системы искусственного интеллекта, которые работают таким же образом», – говорит он. "Мы могли бы создать машины, которые работают так же, как наш мозг."
Помимо этого, Руст говорит, что в будущем результаты могут иметь значение для лечения заболеваний, ухудшающих память, таких как болезнь Альцгеймера. "Понимая, как работает память в здоровом мозгу, вы можете заложить основы для разработки мер профилактики и лечения связанных с памятью нарушений, от которых страдает стареющее население."
Но для того, чтобы все это произошло, необходимо продолжать копать, говорит она. "Чтобы понять это правильно, мы должны понимать сигнал памяти, который определяет поведение."Эта работа приближает нейробиологов на один шаг.