Наше восприятие мира не является пассивным процессом; оно активно формируется нашим внутренним состоянием и поведением. Новое исследование, проведенное учеными Массачусетского технологического института (MIT) и опубликованное в журнале Neuron, демонстрирует, как головной мозг адаптирует обработку зрительной информации. У мышей префронтальная кора – ключевая область, отвечающая за исполнительные функции, – отправляет специализированные сигналы в зоны, контролирующие зрение и движение. Эти сигналы тонко настраивают работу данных зон в зависимости от таких факторов, как уровень бодрствования животного и его двигательная активность.
Ученые выявили, что мозг использует целенаправленные проекции для точечного воздействия на различные области, что является одним из главных выводов исследования.
Долгое время предполагалось, в том числе коллегой старшего автора Мриганки Сура из MIT Эрлом К. Миллером, что префронтальная кора может направлять активность задних отделов мозга. Анатомические данные подтверждали эту гипотезу, но оставался открытым вопрос: посылает ли префронтальная кора унифицированные сигналы или же формирует уникальные сообщения для каждой из целевых областей? Софи Арлунд-Рихтер, ведущий автор исследования и постдокторант лаборатории Сура, стремилась определить, какие именно нейроны получают эти сигналы и как такое взаимодействие влияет на последующую обработку информации.
Команда ученых сделала ряд важных открытий. Выяснилось, что две области префронтальной коры – орбитофронтальная кора (ORB) и передняя поясная кора (ACA) – передают информацию об уровне возбуждения и движении в первичную зрительную кору (VISp) и первичную моторную кору (MOp). При этом передаваемые сообщения оказывают различное, иногда противоположное воздействие. Например, повышение возбуждения усиливало способность ACA помогать VISp уточнять зрительные образы. В то же время ORB начинала активно влиять лишь при очень высоком уровне возбуждения, и её участие, напротив, снижало четкость зрительного кодирования. Как отмечает Софи Арлунд-Рихтер, ACA, вероятно, помогает мозгу концентрироваться на потенциально значимых зрительных деталях по мере роста возбуждения, тогда как ORB может снижать внимание к отвлекающим или слишком сильным стимулам.
Арлунд-Рихтер объясняет, что «эти две подобласти префронтальной коры работают в своего рода балансе. Одна из них усиливает восприятие неясных или трудноуловимых стимулов, в то время как другая приглушает сильные, но потенциально нерелевантные раздражители».
Чтобы глубже понять эти сложные взаимодействия, Арлунд-Рихтер провела детальное анатомическое картирование связей ACA и ORB с VISp и MOp. Дополнительные эксперименты включали наблюдение за мышами, которые свободно бегали по колесу, просматривая структурированные изображения или реалистичные видео с разным уровнем контрастности. В определенные моменты исследователи кратковременно повышали уровень возбуждения животных, используя легкие струи воздуха. В ходе этих задач была записана активность нейронов в ACA, ORB, VISp и MOp, с особым вниманием к сигналам, передаваемым по аксонам, соединяющим префронтальные и задние отделы мозга.
Работа по картированию показала, что ACA и ORB взаимодействуют не с одним типом клеток, а с различными клеточными типами в своих целевых областях. Кроме того, они формируют связи по уникальным пространственным схемам. В VISp область ACA преимущественно нацелена на шестой слой, тогда как ORB в основном взаимодействует с пятым слоем коры.
При анализе передаваемой информации и нейронной активности были выявлены несколько устойчивых закономерностей. Нейроны ACA передавали более детализированную зрительную информацию, чем нейроны ORB, и были более чувствительны к изменениям контрастности. Активность ACA также тесно коррелировала с уровнем возбуждения, в то время как ORB реагировала только при достижении высокого порога возбуждения. При передаче сигналов в MOp обе области сообщали о скорости бега. Однако при передаче сигналов в VISp они лишь указывали, движется ли мышь или находится в покое. Обе префронтальные области также передавали в MOp информацию об уровне возбуждения и небольшой объем зрительных деталей.
Чтобы понять, как это взаимодействие влияет на зрительную обработку, исследователи временно блокировали пути, ведущие от ACA и ORB к VISp. Это позволило измерить реакцию нейронов VISp в отсутствие этих входных сигналов. Было обнаружено, что ACA и ORB оказывают специфическое и противоположное воздействие на зрительное кодирование в зависимости от движения мыши и уровня её возбуждения.
Авторы работы, опубликованной в Neuron, заключают, что «полученные данные подтверждают модель обратной связи префронтальной коры, которая специализирована как на уровне ее подобластей, так и на уровне их мишеней. Это позволяет каждой области избирательно формировать специфическую для цели активность коры, а не модулировать ее глобально».
В исследовательскую группу, помимо Мриганки Сура и Софи Арлунд-Рихтер, вошли Юма Осако, Кайл Р. Дженкс, Эмма Одом, Хаоян Хуан и Дон Б. Арнольд.
Исследование было поддержано постдокторской стипендией фонда Веннер-Грен, Национальными институтами здравоохранения и фондом Freedom Together Foundation.
