Помехи помешали нейронам кодировать информацию

Oleg Rumyantsev et al. / Nature, 2020
Ученые с помощью 16-лучевого двухфотонного микроскопа обнаружили, что шумовые всплески, которые рождаются одновременно в разных нейронах, ограничивают кодирование информации в популяциях из тысячи и более клеток в зрительной коре мышей. Самый сильный вид шума не перекрывался с активностью, которая была связана с сенсорными стимулами. Таким образом, система защищает сигнал от основной части помех, а ограничивающим фактором является более слабая шумовая активность. Статья опубликована в журнале Nature.
Нервные клетки обладают спонтанной активностью, и зачастую для кодирования сигналов они используют не электрические импульсы сами по себе, а изменение частоты их возникновения. В таком случае шум нейронов мешает регистрировать слабые стимулы; возможно, именно он лимитирует точность кодирования информации в нервных клетках. Однако восприятие стимулов базируется на работе целых нейронных сетей, а не отдельных клеток. Усреднение сигналов от различных клеток может снизить амплитуду шума и помочь выделить чистый сигнал. Или наоборот — если помехи отдельных нейронов со схожими характеристиками возникают одновременно, то нужный сигнал еще больше гасится.
Ранее исследовали лишь шум, который возникает в парах клеток, но в таких экспериментах высока погрешность измерения. Олег Румянцев из Стэндфордского университета и его коллеги регистрировали активность целых нейронных популяций, чтобы выделить паттерны шума и оценить его влияние на точность кодирования. Для этого ученые создали двухфотонный микроскоп, в котором 16 лазерных лучей сканировали область зрительной коры мышей площадью в четыре квадратных миллиметра.
Исследователи наблюдали за активностью нейронов пяти мышей, которым предъявляли зрительные стимулы (наклонные контрастные полоски). Для этого использовали кальциевую визуализацию, в которой метка связывается со свободным кальцием в цитоплазме клеток и начинает флуоресцировать. Чем ярче флуоресценция, тем выше концентрация кальция — явный показатель активности нервных клеток. У каждого животного удавалось наблюдать одновременно за одной-двумя тысячами нейронов.
Суммарно у пяти животных регистрировали больше восьми тысяч нейронов, в основном в первичной зрительной коре. Из них около пяти тысяч клеток хотя бы слабо отвечали на стимул. Коэффициенты позитивной корреляции шума между нейронами, которые регистрировали одновременно, достаточно сильно различались: у клеток, которые схожим образом реагировали на два стимула, корреляция шума была в среднем вдвое выше. При перемешивании ответов отдельных нейронов между попытками коэффициент корреляции шума не был равен нулю, хотя его распределение было более узким. Это говорит о том, что для наблюдения шумовых эффектов необходимо регистрировать большое количество нейронов.
Двухфотонная микроскопия позволяет регистрировать активность отдельных нейронов в реальном времени даже у движущихся животных. Можно даже исследовать клеточные популяции, когда животное находится в лабиринте — для этого мышей помещают в виртуальную реальность, а движутся они по вращающемуся шару.
Алиса Бахарева