Ученые выяснили, как области мозга преобразуют сенсорную информацию в действие

Фото из открытых источников
Нейробиологи раскрыли, как сенсорный ввод преобразуется в двигательное действие в нескольких областях мозга у мышей. Исследование, проведенное в Sainsbury Wellcome Centre в UCL, показывает, что принятие решений — это глобальный процесс в мозге, который координируется обучением. Результаты могут помочь в исследовании искусственного интеллекта, предоставив информацию о том, как проектировать более распределенные нейронные сети.
 
«Эта работа объединяет концепции, ранее описанные для отдельных областей мозга, в согласованное представление, которое отображается на нейронную динамику всего мозга. Теперь у нас есть полная картина того, что происходит в мозге, когда сенсорный вход преобразуется в действие посредством процесса принятия решения», — пояснил соавтор исследования профессор Том Миссис-Флогель, директор Sainsbury Wellcome Centre в UCL.
 
Исследование, опубликованное в Nature, описывает, как исследователи использовали зонды Neuropixels, современную технологию, позволяющую одновременно записывать сотни нейронов в нескольких областях мозга, для изучения мышей, принимающих участие в задаче принятия решений. Задача, разработанная доктором Иваной Орсолич из SWC, позволила команде различать сенсорную обработку и двигательный контроль. Исследователи также выявили вклад обучения, изучая животных, обученных этой задаче, и сравнивая их с наивными животными.
 
«Мы часто принимаем решения на основе неоднозначных доказательств. Например, когда начинается дождь, вам нужно решить, насколько высокой должна быть частота капель дождя, прежде чем вы откроете зонтик. Мы изучали эту же интеграцию неоднозначных доказательств на мышах, чтобы понять, как мозг обрабатывает перцептивные решения», — объяснил соавтор исследования Майкл Лозе из SWC.
 
Мышей обучали стоять на месте, наблюдая за движущимся на экране визуальным рисунком. Чтобы получить награду, мыши должны были лизнуть носик, когда они обнаруживали устойчивое увеличение скорости движения визуального рисунка. Задача была разработана таким образом, что скорость движения никогда не была постоянной, вместо этого она непрерывно колебалась. Время увеличения средней скорости также менялось от испытания к испытанию, так что мыши не могли просто вспомнить, когда произошло устойчивое увеличение. Таким образом, мышам приходилось постоянно обращать внимание на стимул и интегрировать информацию, чтобы выяснить, произошло ли увеличение скорости.
 
«Обучая мышей стоять на месте, мы смогли провести гораздо более четкий анализ данных, и эта задача позволила нам изучить, как нейроны отслеживают случайные колебания скорости до того, как мыши совершат действие. У обученных мышей мы обнаружили, что нет единой области мозга, которая интегрирует сенсорные данные или организует процесс. Вместо этого мы обнаружили нейроны, которые редко, но широко распределены по всей мозговой связи сенсорных данных и инициации действия», — объяснил соавтор исследования Андрей Хилькевич из лаборатории Mrsic-Flogel.
 
Исследователи записывали данные с каждой мыши несколько раз и собрали данные с более чем 15 000 клеток в 52 областях мозга у 15 обученных мышей. Чтобы изучить обучение, команда также сравнила результаты с записями наивных мышей.
 
«Мы обнаружили, что когда мыши не знают, что означает визуальный стимул, они представляют информацию только в зрительной системе мозга и нескольких областях среднего мозга. После того, как они выучили задачу, клетки интегрируют доказательства по всему мозгу», — объяснил доктор Лозе.
 
В этом исследовании команда рассматривала только наивных животных и тех, которые полностью выучили задачу, но в будущей работе они надеются раскрыть, как происходит процесс обучения, отслеживая нейроны с течением времени, чтобы увидеть, как они меняются, когда мыши начинают понимать задачу. Исследователи также стремятся изучить, действуют ли определенные области в мозге как причинные центры при установлении этих связей между ощущениями и действиями.
 
Ряд дополнительных вопросов, поднятых исследованием, включают то, как мозг включает ожидание того, когда скорость визуального паттерна увеличится, так что животные реагируют на стимул только тогда, когда информация актуальна. Команда планирует изучить эти вопросы более подробно, используя собранный ими набор данных.