Мозг млекопитающих представляет собой сеть плотно связанных между собой нейронов, однако одна из загадок нейробиологии заключается в том, как инструменты, улавливающие относительно небольшое количество компонентов мозговой активности, позволили ученым предсказывать поведение мышей. Трудно поверить, что большая часть сложности мозга — это не относящийся к делу фоновый шум.
«Мы задавались вопросом, почему возникла такая избыточная и метаболически затратная схема», — говорит Алипаша Вазири из Рокфеллера.
Теперь новое исследование в Neuron , которое представляет собой беспрецедентную одновременную запись активности одного миллиона нейронов у мышей, предлагает удивительный ответ на этот фундаментальный вопрос: технологические ограничения ввели нас в заблуждение, и в мозге заключено гораздо больше, чем когда-то считалось.
«Предыдущие предположения об истинной размерности динамики мозга могли быть связаны с отсутствием возможности записи данных с достаточно большого количества нейронов», — говорит Вазири.
Используя специальную технику, разработанную в лаборатории Вазири, исследователи обнаружили, что более 90 процентов наблюдаемых ими измерений нейронной активности (независимых компонентов, необходимых для описания наблюдаемой динамики нейронов, содержащих сигналы, отличные от шума), были не связан с какими-либо спонтанными движениями или сенсорными воздействиями у исследуемых мышей.
Тысячи этих измерений, содержащих более половины совокупной нейронной активности мышей, были распределены по мозгу в пространстве и времени, не образуя отдельных кластеров в какой-либо одной области и располагаясь во времени от минут до секунд.
Мышь явно использовала этот шум всепроникающей непрерывной активности с какой-то целью. Но для чего? «Мы до сих пор не знаем, но это определенно сигнал, отличный от шума», — говорит Вазири. «Это может открыть окно в различные сложные внутренние состояния или нейровычисления».
Нейронные вспышки
Лаборатория Вазири занимается разработкой оптических технологий для развития нейронауки и позволяет наблюдать одновременную активность множества нейронов, распределенных по всему мозгу. В 2021 году лаборатория разработала микроскопию световых шариков — метод двухфотонной визуализации, который уникальным образом позволил в 100 раз увеличить количество нейронов, которые можно было одновременно регистрировать.
Испытывая технологию, исследователи впервые зафиксировали активность более миллиона нейронов по всей коре головного мозга мыши, в то время как за животными наблюдали с помощью нескольких камер под разными углами, когда они совершали спонтанное и необученное поведение. например, бег на беговой дорожке или уход за собой.
Продемонстрировав эффективность этого инструмента, лаборатория заинтересовалась его использованием для решения фундаментальных вопросов нейробиологии. «У нас был инструмент, который мог позволить нам делать открытия, недоступные другим технологиям», — говорит Вазири. «Поэтому мы попытались задать вопросы, на которые мог бы ответить только такой инструмент. А именно: сколько еще информации мы извлекаем, продолжая записывать все больше и больше нейронов, и что представляет собой эта информация?»
Для исследования исследователи использовали LBM в сочетании с расширенным анализом данных, компьютерным моделированием и методами машинного обучения для изучения нейронной активности мышей, когда они спонтанно двигались и реагировали на окружающую среду.
Недостающие 90 процентов
Известно, что нейронная активность, связанная с движениями животных, упорядочивается в низкоразмерном подпространстве, что позволяет предыдущим методам, которые могли записывать меньше нейронов, идентифицировать эти связи. «Однако только благодаря возможностям LBM мы смогли обнаружить, что более 90 процентов оставшихся измерений содержат надежные сигналы, которые отличаются от шума, не требуются для поведения и не объясняются стимулами окружающей среды», — говорит Вазири.
Неожиданно эти нейроны тоже загорелись повсюду. «Что они делают? Мы не знаем», — говорит Вазири. «Они могут лежать в основе общемозговой сети коррелирующих нейронных колебаний, возможно, связанных с какой-то динамикой внутреннего состояния, такой как голод или мотивация».
Как это можно применить к человеческому мозгу, еще далеко не решено («Человеческий мозг — это океан по сравнению с прудом мышиного мозга», — говорит Вазири), но полученные данные убедительно свидетельствуют о том, что мы только начинаем понимать истинную сложность мозг млекопитающих .
Новый вид обсерватории
LBM — один из ключевых инструментов, которые найдут свое место в Рокфеллеровской обсерватории мозга — новой инициативе, инициированной Вазири, чтобы сделать новаторские, коммерчески недоступные инструменты доступными для нейробиологов, «которые могут делать вещи, которые иначе были бы невозможны», — говорит Вазири.
Объект похож на астрономическую обсерваторию , где приезжие учёные смогут проводить исследования с помощью мощных инструментов. «Идея состоит в том, что сотрудники будут поддерживать людей во время проведения исследований с использованием микроскопов в центре», — говорит он. «Это то, что мы хотим открыть сообществу Рокфеллера, а также нейробиологам со всего мира».
Вазири и его команда также помогают исследователям из нескольких университетов, в том числе из Стэнфордского университета и UCL в Лондоне, воспроизвести технологию LBM в их собственных нейробиологических лабораториях. Данные, собранные в ходе текущего исследования, также доступны для анализа другим исследователям.
Они также надеются расширить диапазон применения LBM. «Например, мы хотели бы приветствовать исследовательские группы, которые работают с другими модельными системами, помимо мышей, — насекомыми, приматами и т. д. — поэтому нам нужны версии LBM, которые были бы более универсальными, надежными и удобными для пользователя», — говорит Вазири.
