Понимание того, как взаимодействуют области мозга, является одним из старейших вопросов в неврологии. Исследователи из Sainsbury Wellcome Center в UCL использовали причинно-следственные методы, чтобы выяснить, как две области неокортекса в мозге взаимодействуют друг с другом, и обнаружили, что их влияние друг на друга меняется в гораздо более быстрых временных масштабах, чем считалось ранее.

Имея около 80 миллиардов нейронов и 100 триллионов соединений в мозге, нейробиологам было сложно распутать сети, которые определяют поведение. В новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Neuron , исследователи SWC выясняют, как две зрительные области в коре головного мозга, первичная зрительная кора (V1) и латеромедиальная область (LM), влияют друг на друга и как эта связь меняется в короткие промежутки времени.

«Мы хотели изучить связь между областями, чтобы понять, как различные области мозга работают вместе для обработки зрительных стимулов. Из классических исследований мы знаем, что существует иерархия зрительных областей с путями прямой и обратной связи. Первый уровень иерархии в мозге кора головного мозга — это V1, а второй уровень — это V2 у приматов, эквивалентом которого является LM у мышей», — сказала Митра Джавадзаде, научный сотрудник SWC и соавтор статьи.

«Наши ожидания от анатомических связей между V1 и LM заключаются в том, что влияние активности нейронов в одной области на другую будет относительно постоянным; однако мы были удивлены, обнаружив, что оно динамично и меняется с течением времени. Эти изменения могут происходить очень быстро. в течение десятков миллисекунд», — сказала Соня Хофер, руководитель группы SWC и соавтор статьи.

Исторически сложилось так, что ученые записывали информацию из разных областей мозга и использовали статистические корреляции, чтобы сделать вывод о том, как одна область влияет на другую. В этом исследовании Джавадзаде и Хофер вместо этого использовали причинно-следственный подход, используя нейронные возмущения для изучения динамики межпространственных взаимодействий во времени.

Нейробиологи записали популяции нейронов в V1 и LM у мышей и использовали оптогенетику, чтобы ненадолго заглушить активность одной области и количественно определить, как активность увеличилась или уменьшилась в другой области. Это показало им вклад первой области в формирование скорострельности второй области.

Джавадзаде и Хофер измеряли эти вклады с течением времени, пока эти области мозга обрабатывали визуальную информацию. Удивительно, но они обнаружили, что влияние манипулирования одной областью на активность в другой менялось со временем в быстрой временной шкале. Например, нейрон в области V1 может уменьшить свою активность в ответ на воздействие области LM в какой-то момент времени, но через 100 миллисекунд активность LM не будет на него влиять. Кроме того, если визуальный стимул был релевантным для поведения животного, например, если он предсказывал появление вознаграждения, то эти изменения влияния происходили еще быстрее.

Функция этих быстро меняющихся влияний еще не известна, но авторы предполагают, что они могут позволить областям коры контролировать различные аспекты обработки в нижестоящих областях мозга, на которые они влияют, в течение очень коротких промежутков времени. Это означало бы, что роль, которую играют отдельные области в формировании активности друг друга, может быть гибкой и адаптированной к динамическим требованиям поведения.

Помимо изучения функции этих динамических взаимодействий, Джавадзаде и Хофер работают вместе с учеными из отдела вычислительной нейробиологии Гэтсби, расположенного в том же здании, что и SWC, чтобы понять механизмы, с помощью которых они возникают.

Это исследование финансировалось основным грантом Sainsbury Wellcome Center от Благотворительного фонда Гэтсби и Wellcome (090843/F/09/Z), стартовым грантом ERC (SBH, HigherVision 337797) и основными фондами Biozentrum Базельского университета.