Человеческий мозг забит нейронами — их 86 миллиардов — соединенных в обширную сложную сеть, которая контролирует то, как мы двигаемся, думаем, говорим и запоминаем. Жизненно важная информация передается по этой сети через триллионы точек подключения, называемых синапсами. Каждый нейрон постоянно подвергается бомбардировке тысячами сигналов через эти синапсы — некоторые важные, а некоторые неважные, — но ученые до сих пор не до конца понимают, как принимающий нейрон извлекает соответствующую информацию.
«Это известно как проблема« сигнал-шум », и она была объектом изучения нейробиологов в течение последних 50 лет», — сказал Бернд Кун, руководитель отдела оптической нейровизуализации в Окинавском институте науки и технологий. Университет (OIST). «Предыдущие исследования дали нам представление о том, что каждый нейрон функционирует как отдельный компьютер, самостоятельно принимая решения о том, как реагировать на эти сигналы, но определение точных механизмов, используемых для выполнения этих вычислений, оказалось настоящей технической проблемой».
Одним из способов решения нейронами проблемы отношения сигнал-шум является уделение большего внимания сигналам, которые принимаются одновременно. Нейроны усиливают одновременные сигналы нелинейным образом — например, если два входа принимаются одновременно, нейрон может реагировать так, как если бы он получил три.
Ранее исследователи использовали срезы мозговой ткани, чтобы изучить, как нейроны реагируют на эти одновременные сигналы, но этот метод «похож на взгляд на верхушку айсберга», отметила исследовательская группа.
Однако в 2018 году отдел оптической нейровизуализации OIST разработал новую мощную технику, использующую двухфотонную визуализацию напряжения, которая может выявить трехмерную структуру нейронов и определить их электрическую активность минимально инвазивным способом.
Впервые этот метод позволил исследователям решить проблему «сигнал-шум» у бодрствующих животных, а не в срезах ткани мозга. Их результаты были опубликованы в eLife .
«Работа с отзывчивыми животными обеспечивает совершенно новый уровень детализации процессов, происходящих в мозге», — пояснил первый автор, доктор Кристофер Рум, штатный научный сотрудник отдела оптической нейровизуализации. «Когда вы работаете с срезами мозга, вы должны электрически стимулировать изолированные нейроны — так что это не настоящие сигналы. В то время как у живого животного у вас есть тысячи естественных входов для нейронов, включая оба спонтанных сигнала, которые нейрон должен фильтровать. out, и вызванные сигналы, генерируемые в ответ на сенсорные стимулы, на которые нейрон должен реагировать. Таким образом, вы можете начать видеть все различные способы, которыми нейроны обрабатывают и дифференцируют эти сигналы ».