Ученые из Университета Миннесоты и Франкфуртского института перспективных исследований исследовали процессы, происходящие в коре головного мозга. Ученые обнаружили, что кора головного мозга может преобразовывать случайные входные данные в высокоорганизованные модели нейронной активности.
Нейроны коры головного мозга способны к самоорганизации
Ученые из Университета Миннесоты и Франкфуртского института перспективных исследований исследовали процессы, происходящие в коре головного мозга. Ученые обнаружили, что кора головного мозга может преобразовывать случайные входные данные в высокоорганизованные модели нейронной активности.
Изображение на основе данных электронного микроскопа, показывающее расположение нейронов во фрагменте коры головного мозга. Нейроны окрашены в соответствии с размером. Google Research & Lichtman Lab (Harvard University). Renderings by D. Berger (Harvard University)
Еще в 1952 году великий математик Алан Тьюринг разработал теорию формирования тканей и органов из первичных клеток. Ее идея проста: если активность в одной точке «окружена» подавляющим активность воздействием, то образуется, своего рода пик. Если процесс повторяется, то возникают периодические структуры. Они возникают сами из-за взаимодействия соседних частиц (или клеток, или нейронов). Их никто не программирует «сверху». Теперь эта теория нашла подтверждение в развитии коры мозга.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
«Эта трансформация важна в первую очередь потому, что она, по-видимому, происходит полностью внутри самой коры головного мозга, то есть мозг сам организует свои функции во время развития», — говорит соавтор работы Гордон Смит.
Ученый поясняет, почему это так важно: «Это говорит о том, что нарушения локальных взаимодействий между соседними нейронами могут радикально изменить глобальные функции мозга, а это в дальнейшем может повлиять на сенсорное восприятие и, возможно, привести к расстройствам нервного развития, таким как аутизм».
Один нейрон (белый) с 5 600 аксонами (синий), которые к нему подключаются. Синапсы, обеспечивающие эти связи, показаны зеленым цветом.
В самоорганизующейся системе локальные взаимодействия объединяются, порождая крупномасштабные структуры. Объединив теорию и эксперимент, исследовательская группа смогла показать, что математические законы, аналогичные тем, которые управляют развитием структур мозга, работают в самом широком спектре живых и неорганических систем, таких, например, как формирование пятен в окраске рыб или расстояние между песчаными дюнами.
Как возникают нейронные сети
a Механизм LE/LI: взаимодействие на коротких расстояниях через сеть, связанную с эффективным локальным возбуждением (красный) и латеральным торможением (синий). b Сети с такой схемой связи могут избирательно усиливать активность на характерной длине волны Λ.
«Наши результаты показывают, что паттерны нейронной активности в ранней коре возникают динамически через петли обратной связи, которые включают баланс между локальной активацией и боковым торможение. Это подтверждает теоретическую гипотезу развития мозга, возникшую еще десятилетия назад», — сказал соавтор работы Маттиас Кашубе.
Этот класс моделей опирается на теорию Алана Тьюринга, посвященную процессам морфогенеза.
Равномерная оптогенетическая стимуляция вызывает различные паттерны модульной активности
Исследовательская группа использовала оптические инструменты, чтобы напрямую продемонстрировать, как крупномасштабная структура нейросетей мозга возникает из самих сетей, а не воспроизводит внешний паттерн. Исследовательской моделью стали генномодифицированные хорьки.
«Благодаря использованию передовых оптических методов эти эксперименты позволили нам проверить давнюю научную теорию и показать, что мозг организует свою собственную деятельность на раннем этапе развития», — сказал доктор Смит.
Ученые в дальнейшем собираются описать конкретные процессы изменений коры и разобраться, как самоорганизация нейронов, запущенная на ранних этапах развития, влияет на сенсорное восприятие взрослого организма. В первую очередь это важно для понимания причин аутизма.