Соматосенсорная кора — это область мозга млекопитающих, которая, как известно, играет решающую роль в обработке сенсорной информации, включая тактильные ощущения, температуру и боль. Хотя эта область мозга была в центре внимания многочисленных исследований нейронауки, ее уникальный вклад в принятие решений, связанных с восприятием, остается плохо изученным.

Исследователи из Университетского колледжа Лондона (UCL) недавно провели эксперимент, изучающий связи между активностью сенсорной коры мыши и перцептивным принятием решений. Их выводы, опубликованные в Neuron , намекают на существование нейронов, которые обычно остаются молчаливыми во время сенсорной обработки, но могут быть задействованы для улучшения восприятия у мышей.

«Исследование было вдохновлено двумя крупными достижениями в этой области», — рассказал Оливер М. Голд, соавтор статьи, Medical Xpress. «Первое — это разработка оптических инструментов для одновременной записи и оптогенетической стимуляции одной и той же популяции корковых нейронов (называемых клеточным разрешением «полностью оптического» опроса). Второе — это разработка подходов для изучения сенсомоторного принятия решений у мышей с фиксированной головой».

В рамках своего недавнего исследования Голд и его коллеги объединили недавно разработанные оптические инструменты с сенсомоторными задачами для изучения принятия решений у мышей с фиксированной головой. Их целью было использовать эти различные подходы для идентификации нейронов и моделей корковой активности, которые связаны с генерацией сенсорных восприятий у мышей.

Для проведения своего исследования ученые разработали простую, но мощную задачу по принятию перцептивных решений. Во время этой задачи мышам необходимо определить, был ли сенсорный стимул, доставленный к их вибриссам, сильнее с левой или правой стороны их морды.

«Мыши сообщали о своем решении, облизывая слева или справа два водосточных желоба, и были вознаграждены сахарной водой за правильный ответ», — сказал Голд. «Затем мы использовали оптическую технику, называемую двухфотонной кальциевой визуализацией, для регистрации сигналов нейронной активности из области соматосенсорной коры, реагирующей на усы ( также называемой «бочкообразной» корой).

«Это позволило нам охарактеризовать, как выполнение задачи изменяет активность мозга , что дало нам возможность определить, какие нейроны реагируют на предъявление сенсорного стимула».

Кредит: Neuron (2024). DOI: 10.1016/j.neuron.2024.04.015
Проанализировав собранные ими двухфотонные записи кальциевой визуализации, Голд и его коллеги обнаружили, что активность небольшой части (т. е. примерно 15%) нейронов в коре головного мозга животных увеличилась после стимуляции вибрисс мышей. Это открытие согласуется с предыдущими исследовательскими наблюдениями, которые продемонстрировали «редкое» корковое кодирование сенсорных входов у мышей.

«Ключевой частью нашего исследования было то, что мы затем использовали сложную систему двухфотонной оптогенетической манипуляции для стимуляции различных групп нейронов (по сути, заставляя эти нейроны становиться активными) и оценивали, изменило ли это перцептивный выбор животного», — объяснил Голд.

«В частности, мы использовали пространственный модулятор света (SLM) для доставки голографических паттернов света в ткань. Это означает, что экспериментатор имеет очень хороший контроль над тем, какие нейроны стимулируются оптогенетически, что имеет важное значение для исследования того, как разреженные сенсорные паттерны активности причинно управляют поведением».

Используя комбинацию двухфотонной кальциевой визуализации и оптогенетики с направленным SLM, исследователи смогли охарактеризовать и манипулировать крайне редкими паттернами нейронной активности в мозге мышей, пока животные выполняли задачу по принятию решений.

Интересно, что исследователи обнаружили, что оптогенетическая стимуляция «молчащих» нейронов в коре головного мозга оказала сильное влияние на поведение мышей, обследованных в рамках их исследования.

«Молчаливые нейроны относятся к нейронам, которые не проявляют активности, связанной с выполнением задач, оставаясь неактивными, несмотря на предъявление сенсорных стимулов и выполнение поведенческих решений и двигательных действий», — сказал Голд. «Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что молчаливые нейроны составляют большинство нейронов в поверхностной сенсорной коре, поскольку только очень немногие нейроны активируют потенциалы действия во время сенсорной стимуляции.

«Это отличительная черта гипотезы разреженного кодирования. Хотя функциональная роль этих молчащих нейронов оставалась неясной в течение многих лет, наше исследование предполагает, что эти нейроны могут играть важную роль в сенсорной обработке, но только если их сначала не заставить замолчать».

В целом, результаты, собранные этой группой исследователей, показывают, что «молчаливые» нейроны в сенсорной коре поддерживаются в состоянии покоя очень сильным сетевым торможением, пока мыши выполняют задачу принятия решений. Однако активация некоторых из этих нейронов, например, реализованная с помощью инструментов оптогенетических манипуляций, нацеленных на SLM, может значительно усилить сенсорное восприятие животных.

«Наши результаты имеют важное значение для понимания того, как корковые цепи реализуют разреженное корковое кодирование и сенсомоторную пластичность, что может быть важно для обучения», — добавил Голд.

«Одним из интересных направлений будущих исследований было бы изучение причинной роли молчащих нейронов в других областях коры или в других поведенческих и когнитивных процессах. Это дало бы более полное представление о роли молчащих нейронов в мозге».