Исследование группы Фонда Шампалимо (CF) пролило новый свет на верхние холмики (SC), глубоко расположенную структуру мозга, которую часто затмевает ее более заметный кортикальный сосед. Их открытие показывает, как SC может играть ключевую роль в том, как животные видят мир в движении, и проливает свет на «иллюзию непрерывности», важный процесс восприятия, неотъемлемый для многих наших повседневных действий, от вождения автомобиля до просмотра фильмов.
Представьте, что вы смотрите фильм. Движущиеся изображения, которые вы видите, на самом деле представляют собой серию быстро показываемых статичных кадров. Это иллюзия непрерывности в действии, когда наш мозг воспринимает последовательность быстрых вспышек как непрерывное плавное движение. Это явление не только жизненно важно для нашего удовольствия от кино, но и является фундаментальным аспектом того, как все млекопитающие, от людей до крыс, воспринимают динамичный мир вокруг них.
Это исследование лаборатории Шемеша CF, опубликованное в журнале Nature Communications , углубляется в то, как эта иллюзия кодируется в мозгу.
Скорость, с которой должны возникать вспышки, чтобы наш мозг воспринимал их как постоянные, а не мерцающие, известна как порог частоты слияния мерцаний (FFF). Этот порог варьируется среди животных; например, птицы, которым необходимо видеть быстрые движения, имеют более высокий порог, чем люди, а это означает, что они все равно могут воспринимать свет как мерцающий, а не непрерывный, даже если он мигает очень быстро.
Порог FFF также важен в природе, например, при взаимодействии хищник-жертва, и на него могут влиять определенные заболевания, такие как заболевания печени или заболевания глаз, такие как катаракта.
Интересно, что разные методы измерения этого порога, такие как наблюдение за поведением животных или запись электрической активности в глазах или коре головного мозга (внешний слой мозга, обрабатывающий то, что мы видим), могут давать разные результаты.
Это говорит о том, что другие части мозга также играют роль в том, как мы воспринимаем мерцающий свет. В этом исследовании исследователи объединили функциональное МРТ (фМРТ) сканирование мозга, поведенческие эксперименты и электрические записи активности мозга, чтобы понять, как работает этот процесс. Их результаты показывают, что SC жизненно важен при переходе от наблюдения отдельных вспышек к плавному движению и что он может быть ключевым компонентом в создании иллюзии непрерывности.
Трехсторонняя атака
«Этот проект на самом деле был начат с нуля и начался с разговора между двумя аспирантами CF», — отмечает Ноам Шемеш, старший автор исследования.
«Рита Хил, студентка моей лаборатории, изучала реакции мозга крыс на различные частоты света с помощью МРТ. Ее обсуждения с Мафальдой Валенте в лаборатории Альфонсо Ренарта привели к разработке поведенческой задачи, в ходе которой крыс обучали различать вспышки и непрерывный свет».
«Используя МРТ и поведенческие данные, они также записали электрическую активность мозга во время световой стимуляции. Этот подход позволил им измерить и сравнить пороги FFF, используя три различных метода: МРТ, поведенческие эксперименты и электрофизиологию. Этот мультимодальный подход довольно редок, и именно это отличает это исследование от других. Мы также благодарны Альфонсо Ренарту за интересные дискуссии, которые способствовали этому исследованию».
В экспериментах с фМРТ крысам показывали зрительные стимулы на частотах от низкой до высокой. Чтобы свести к минимуму движение и обеспечить стабильную визуализацию мозга, животным вводили легкие успокоительные препараты.
«ФМРТ — это неинвазивный метод, который отслеживает изменения в кровотоке, которые указывают на активность нейронов в мозге», — объясняет Гил.
«Одним из преимуществ фМРТ является ее способность отображать активность мозга по всему зрительному пути, одновременно фиксируя активность из нескольких областей».
Цель состояла в том, чтобы наблюдать, как мозг переходит от восприятия отдельных вспышек света (статическое зрение) к непрерывному потоку света (динамическое зрение), и точно определить задействованные области мозга.
«Когда мы посмотрели на СК, — говорит Гил, — мы обнаружили заметно разные реакции в зависимости от частоты зрительных стимулов . По мере увеличения частоты зрительного стимула в сторону непрерывного восприятия света произошел сдвиг в реакции СК от режимы сигнала фМРТ от положительного к отрицательному».
Положительные сигналы отражают повышенную нейронную активность, тогда как отрицательные сигналы потенциально могут означать противоположное. На основе этих наблюдений стала формироваться гипотеза: может ли переход от статического зрения к динамическому в иллюзии непрерывности сопровождаться подавлением активности СК?
Чтобы ответить на этот вопрос, они затем обратились к поведенческим экспериментам . Крыс обучали в специально сконструированном ящике, где они учились переходить к одному боковому порту, если воспринимали свет как мерцающий, и к другому, если воспринимали его как непрерывный. Правильный выбор вознаграждался водой для закрепления знаний.
Изменяя отображаемые частоты света, команда зафиксировала, в какой момент крысы воспринимали мерцающий свет как непрерывный. Когда они сравнили поведенческие данные с данными фМРТ, они сделали удивительное открытие: изменение положительных сигналов фМРТ на отрицательные в СК на определенных частотах соответствовало частотам, на которых крысы поведенчески воспринимали переход от мерцания к непрерывному свету.
Учитывая, что SC показал самую сильную корреляцию между поведением и данными фМРТ по сравнению с другими областями мозга , исследователи нацелили его на электрофизиологические записи, напрямую измеряя электрическую активность его нейронов.
Они использовали легкую седацию для поддержания соответствия условиям фМРТ. Их цель состояла в том, чтобы лучше понять конкретные нервные механизмы, задействованные в том, что крысы воспринимают мерцающий, а не непрерывный свет. Соответствовали ли положительные и отрицательные сигналы, обнаруженные с помощью фМРТ, нейронной активности и подавлению соответственно, как они предполагали?
При низких частотах света, когда крысы различали отдельные вспышки, исследователи наблюдали усиление нейронной активности, соответствующее каждой вспышке. На более высоких частотах, воспринимаемых как непрерывный свет, нейронные реакции на эти отдельные вспышки уменьшались, и вместо этого наблюдались более выраженные реакции как в начале, так и в конце световой стимуляции. Примечательно, что между этими начальным (началом) и конечным (смещением) пиками наблюдалось заметное подавление нейронной активности.
Валенте отмечает: «Наши измерения электрической активности в СК хорошо согласуются с нашими данными фМРТ, которые демонстрируют пики начала и смещения, окружающие отрицательные сигналы на более высоких частотах. Эти электрофизиологические записи подтверждают представление о том, что положительные и отрицательные сигналы, записанные с помощью фМРТ, действительно представляют собой нейронную активность и подавление соответственно. Похоже, что это подавление происходит, когда животные входят в состояние динамического режима зрения, потенциально служа ключевым фактором, способствующим слиянию мерцаний и иллюзии непрерывности».
Размышляя об исследовании, Валенте сказал: «Что действительно удивило нас, так это то, насколько точно сигналы фМРТ в СК соответствовали поведенческим данным, даже больше, чем сигналы в коре головного мозга, которая обычно считается основной областью обработки зрительной информации у млекопитающих. Не менее поразительно. было обнаружить те же закономерности в СК даже после того, как мы намеренно отключили кору, предполагая, что эти сигналы возникают в самой СК, а не являются просто результатом активности коры».
Гил продолжает: «Это указывает на роль SC как детектора новизны. Например, при более низких частотах света каждая вспышка воспринимается SC как новое событие. Но когда частота увеличивается сверх определенной точки, появляется SC как новое событие. решить, что стимул больше не является новым или заслуживающим внимания, что приводит к снижению активности. Это может объяснить характер повышения активности в начале и в конце высокочастотной стимуляции с периодами подавления между ними».
Последствия и будущие направления
«Наши результаты представляют собой дорожную карту того, как нейробиологические эксперименты могут проводиться в будущем», — заключает Шемеш.
«Первоначально используя фМРТ для предъявления стимулов, исследователи могут эффективно определить, на каких участках мозга следует сосредоточиться для более детальных электрофизиологических исследований. Этот подход не только экономит время и ресурсы, но также использует преимущества фМРТ в отражении популяционной активности областей мозга. не дает детальных деталей активности отдельных клеток, способность фМРТ показать более широкую картину — независимо от того, есть ли активация или подавление мозга — делает его ценным первым шагом в руководстве последующими экспериментами».
Авторы полагают, что их результаты имеют значение для клинического применения. В случае людей с нарушениями зрения, заболеваниями зрительного нерва или такими состояниями, как аутизм и инсульт, это исследование предлагает новые возможности как для оценки, так и для потенциального лечения зрительных дисфункций.
Определив и сравнив пороги FFF у этих людей с таковыми в здоровой популяции, а также наблюдая за тем, как эти пороги развиваются, можно будет оценить адаптивность определенных областей мозга.
Это может привести к пониманию того, какие области мозга остаются поддающимися лечению, что откроет путь к разработке целевых терапевтических вмешательств.
Забегая вперед, исследователи стремятся определить, какие конкретные типы клеток в СК ответственны за наблюдаемую ими активность. Их более широкая цель — углубить наше понимание роли различных областей мозга в зрительных путях, сочетая экспериментальные методы, такие как целевые поражения или зрительную депривацию, с исследованиями МРТ.
Эти стратегии обещают обеспечить более глубокое понимание адаптивности и функций зрительных областей, уточняя нашу текущую модель того, как каждая область способствует зрительному восприятию.
Итак, в следующий раз, когда вы будете смотреть фильм, испытывая иллюзию плавного движения из-за быстрой смены кадров, подумайте о сложных процессах, происходящих в вашем мозгу, и о продолжающихся исследовательских усилиях по их разгадке.
