Нейробиологи спорят о «плавающем коде» мозга
Ученые все чаще находят признаки того, что отдельные нейроны со временем меняют реакцию на одни и те же стимулы. Это явление может объяснить, как мозг обновляет память, но также ставит под вопрос привычные модели работы нервной системы.
Источник: Ollie Hirst.
МОСКВА, 21 мая. /Новости науки/. Нейробиологи обсуждают явление репрезентативного дрейфа — постепенного изменения нейронных паттернов, которые мозг использует для представления мест, запахов, действий и воспоминаний. Об этом пишет Nature.
Долгое время в нейронауке господствовала простая идея: если мозг снова сталкивается с тем же стимулом, то примерно те же нейроны должны реагировать тем же образом. Например, одни клетки активируются при виде определенной формы, другие — когда животное находится в знакомом месте.
Новые данные показали, что эта схема может быть слишком простой. В ряде опытов ученые увидели, что отдельные нейроны меняют «специализацию» за дни и недели. При этом поведение животного остается стабильным.
Открытие началось с мышей в виртуальном лабиринте
Нейробиолог Лора Дрисколл начала изучать этот вопрос в 2012 году во время работы в Гарвардском университете. Она отслеживала активность отдельных нейронов у мышей, которые выполняли одну и ту же задачу в виртуальном лабиринте.
Результат оказался неожиданным. Нейроны, которые в первый день активно реагировали на одно место в лабиринте, через несколько недель почти не отвечали на него. Другие клетки, наоборот, начинали реагировать на стимулы, которые раньше их не включали.
В 2017 году Дрисколл и ее коллеги сообщили, что в теменной коре мышей активность отдельных клеток сильно менялась со временем. Но если смотреть не на одну клетку, а на всю группу нейронов, общий рисунок работы мозга оставался более устойчивым.
Это навело ученых на мысль, что мозг может хранить информацию не в фиксированных «ролях» отдельных клеток, а в более гибкой работе больших нейронных сетей.
Дрейф нашли в разных отделах мозга
Похожие признаки позже нашли в гиппокампе, зрительной коре и обонятельной коре. Гиппокамп особенно важен для памяти и обучения, поэтому дрейф в этой области вызвал большой интерес.
Исследователи также обнаружили изменения в грушевидной коре — зоне, которая участвует в обработке запахов. Это стало неожиданностью: считалось, что нейронные паттерны запахов должны быть стабильными, иначе животное не смогло бы узнавать знакомые запахи.
По словам нейробиолога Эндрю Финка из Северо-Западного университета, такие данные заставляют заново задавать базовые вопросы о мозге. Если представления постоянно меняются, нужно понять, как мозг при этом сохраняет устойчивое восприятие мира.
Дрейф может помогать памяти
Одна из гипотез связывает репрезентативный дрейф с чувством времени. В гиппокампе изменения нейронной активности могут помогать мозгу различать события, которые произошли в разное время.
Нейробиологи также предполагают, что дрейф помогает обновлять воспоминания. Каждый день человек получает новый опыт, и мозгу нужно соединять его с уже имеющимися знаниями. Если бы одни и те же клетки всегда работали строго одинаково, системе было бы сложнее встраивать новую информацию.
Исследования на мышах показывали, что события, произошедшие близко по времени, могут кодироваться похожими группами нейронов. Если между событиями проходит неделя, мозг использует уже другие группы клеток.
Не все ученые согласны
У концепции остаются критики. Часть исследователей считает, что дрейф может быть не новым свойством мозга, а следствием тонких различий в поведении животных.
Например, если мышь чуть иначе движется, меняет скорость или по-разному вовлечена в задачу, это может изменить активность нейронов. В таком случае ученые могут принять поведенческие различия за изменение нейронного кода.
Есть и данные против универсальности дрейфа. Нейробиологи изучали летучих мышей и обнаружили, что активность нейронов гиппокампа у них остается стабильной несколько недель, когда животные летят по знакомому маршруту.
Другие группы сообщали, что в моторной коре, которая связана с движением, связь между активностью нейронов и поведением также выглядит достаточно устойчивой.
Почему это важно для медицины и ИИ
Понимание репрезентативного дрейфа может помочь в нескольких областях. Во-первых, оно важно для изучения памяти. Если ученые поймут, как мозг обновляет воспоминания, это может дать новые подходы к исследованию нейродегенеративных и психиатрических расстройств.
Во-вторых, дрейф важен для интерфейсов мозг–компьютер. Такие устройства считывают активность нейронов и переводят ее в команды. Если нейронные паттерны со временем меняются, импланты и алгоритмы должны уметь подстраиваться.
В-третьих, это может помочь разработчикам искусственного интеллекта. У нейросетей есть проблема «катастрофического забывания»: система может терять старые навыки, когда учится на новых данных. Мозг, вероятно, умеет избегать этой проблемы, и изучение дрейфа может подсказать новые технические решения.
Главный вопрос пока открыт
Ученые пока не знают, является ли репрезентативный дрейф полезным механизмом, побочным следствием пластичности мозга или общим названием для нескольких разных процессов.
Вероятно, разные области мозга дрейфуют с разной скоростью. В гиппокампе изменения могут быть сильнее, потому что он постоянно участвует в записи нового опыта. В зрительной или моторной системе стабильность может быть выше, потому что они должны надежно обрабатывать сигналы и управлять движениями.
Nature отмечает, что большинство данных пока получено на мышах. Перенести такие эксперименты на человека трудно: ученым сложно долго отслеживать активность одних и тех же нейронов в человеческом мозге. Поэтому главный вопрос остается открытым: насколько «плавающим» является нейронный код человека.
Исследование и обзор данных показывают, что мозг может быть гораздо более динамичной системой, чем считалось раньше. Он сохраняет устойчивое поведение не потому, что каждая клетка всегда делает одно и то же, а, возможно, потому что вся сеть умеет извлекать стабильный смысл из постоянно меняющихся сигналов.
Долгое время в нейронауке господствовала простая идея: если мозг снова сталкивается с тем же стимулом, то примерно те же нейроны должны реагировать тем же образом. Например, одни клетки активируются при виде определенной формы, другие — когда животное находится в знакомом месте.
Новые данные показали, что эта схема может быть слишком простой. В ряде опытов ученые увидели, что отдельные нейроны меняют «специализацию» за дни и недели. При этом поведение животного остается стабильным.
Открытие началось с мышей в виртуальном лабиринте
Нейробиолог Лора Дрисколл начала изучать этот вопрос в 2012 году во время работы в Гарвардском университете. Она отслеживала активность отдельных нейронов у мышей, которые выполняли одну и ту же задачу в виртуальном лабиринте.
Результат оказался неожиданным. Нейроны, которые в первый день активно реагировали на одно место в лабиринте, через несколько недель почти не отвечали на него. Другие клетки, наоборот, начинали реагировать на стимулы, которые раньше их не включали.
В 2017 году Дрисколл и ее коллеги сообщили, что в теменной коре мышей активность отдельных клеток сильно менялась со временем. Но если смотреть не на одну клетку, а на всю группу нейронов, общий рисунок работы мозга оставался более устойчивым.
Это навело ученых на мысль, что мозг может хранить информацию не в фиксированных «ролях» отдельных клеток, а в более гибкой работе больших нейронных сетей.
Дрейф нашли в разных отделах мозга
Похожие признаки позже нашли в гиппокампе, зрительной коре и обонятельной коре. Гиппокамп особенно важен для памяти и обучения, поэтому дрейф в этой области вызвал большой интерес.
Исследователи также обнаружили изменения в грушевидной коре — зоне, которая участвует в обработке запахов. Это стало неожиданностью: считалось, что нейронные паттерны запахов должны быть стабильными, иначе животное не смогло бы узнавать знакомые запахи.
По словам нейробиолога Эндрю Финка из Северо-Западного университета, такие данные заставляют заново задавать базовые вопросы о мозге. Если представления постоянно меняются, нужно понять, как мозг при этом сохраняет устойчивое восприятие мира.
Дрейф может помогать памяти
Одна из гипотез связывает репрезентативный дрейф с чувством времени. В гиппокампе изменения нейронной активности могут помогать мозгу различать события, которые произошли в разное время.
Нейробиологи также предполагают, что дрейф помогает обновлять воспоминания. Каждый день человек получает новый опыт, и мозгу нужно соединять его с уже имеющимися знаниями. Если бы одни и те же клетки всегда работали строго одинаково, системе было бы сложнее встраивать новую информацию.
Исследования на мышах показывали, что события, произошедшие близко по времени, могут кодироваться похожими группами нейронов. Если между событиями проходит неделя, мозг использует уже другие группы клеток.
Не все ученые согласны
У концепции остаются критики. Часть исследователей считает, что дрейф может быть не новым свойством мозга, а следствием тонких различий в поведении животных.
Например, если мышь чуть иначе движется, меняет скорость или по-разному вовлечена в задачу, это может изменить активность нейронов. В таком случае ученые могут принять поведенческие различия за изменение нейронного кода.
Есть и данные против универсальности дрейфа. Нейробиологи изучали летучих мышей и обнаружили, что активность нейронов гиппокампа у них остается стабильной несколько недель, когда животные летят по знакомому маршруту.
Другие группы сообщали, что в моторной коре, которая связана с движением, связь между активностью нейронов и поведением также выглядит достаточно устойчивой.
Почему это важно для медицины и ИИ
Понимание репрезентативного дрейфа может помочь в нескольких областях. Во-первых, оно важно для изучения памяти. Если ученые поймут, как мозг обновляет воспоминания, это может дать новые подходы к исследованию нейродегенеративных и психиатрических расстройств.
Во-вторых, дрейф важен для интерфейсов мозг–компьютер. Такие устройства считывают активность нейронов и переводят ее в команды. Если нейронные паттерны со временем меняются, импланты и алгоритмы должны уметь подстраиваться.
В-третьих, это может помочь разработчикам искусственного интеллекта. У нейросетей есть проблема «катастрофического забывания»: система может терять старые навыки, когда учится на новых данных. Мозг, вероятно, умеет избегать этой проблемы, и изучение дрейфа может подсказать новые технические решения.
Главный вопрос пока открыт
Ученые пока не знают, является ли репрезентативный дрейф полезным механизмом, побочным следствием пластичности мозга или общим названием для нескольких разных процессов.
Вероятно, разные области мозга дрейфуют с разной скоростью. В гиппокампе изменения могут быть сильнее, потому что он постоянно участвует в записи нового опыта. В зрительной или моторной системе стабильность может быть выше, потому что они должны надежно обрабатывать сигналы и управлять движениями.
Nature отмечает, что большинство данных пока получено на мышах. Перенести такие эксперименты на человека трудно: ученым сложно долго отслеживать активность одних и тех же нейронов в человеческом мозге. Поэтому главный вопрос остается открытым: насколько «плавающим» является нейронный код человека.
Исследование и обзор данных показывают, что мозг может быть гораздо более динамичной системой, чем считалось раньше. Он сохраняет устойчивое поведение не потому, что каждая клетка всегда делает одно и то же, а, возможно, потому что вся сеть умеет извлекать стабильный смысл из постоянно меняющихся сигналов.
