Помехи помешали нейронам кодировать информацию
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.
Чтобы оценить, совпадают ли шумовые всплески у разных клеток, ответы отдельных нейронов переставили между попытками в компьютерной модели. В таком случае индивидуальный ответ на стимул оставался тем же, а совпадение шума было исключено. Затем ученые посчитали индекс распознавания стимулов нейронными популяциями на основе ответа на полосы, наклоненные в разные стороны (30 градусов от вертикальной оси).
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.
Нейронные популяции выделяли стимул в течение первых 500 миллисекунд его предъявления, затем индекс распознавания выходил на плато и оставался постоянным до исчезновения зрительного сигнала. Возможно, мозг нивелирует влияние шумовых всплесков, суммируя активность нейронов во времени. Точность кодирования стимула выходила на плато, когда размер популяции превышал примерно тысячу нейронов. Если бы позитивной корреляции шума не было, то каждая новая клетка увеличивала бы качество передачи информации.
Вектор шума с наибольшей амплитудой оказался перпендикулярным нейронной активности, которая кодировала зрительные сигналы — таким образом, система ограждает точность кодирования от большей части шумовых помех. Ограничивающим фактором являются более слабые шумовые всплески, которые нельзя отделить от чистого сигнала. За счет них и происходит насыщение информации при больших размерах популяций 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.
Они нам кажутся почти в два раза легче своего реально веса
Исследователи из Великобритании предложили людям сравнить вес их собственных ладоней и грузов, подвешенных к рукам, чтобы выяснить, насколько верно люди оценивают массу своего тела и его частей. Проведенные эксперименты показали, что испытуемые сильно занижают вес собственных кистей — в одном из экспериментов он оказался на 49,4 процента ниже, чем реальный. Результаты опубликованы в Current Biology. Когда мы берем какой-то предмет, его ощущаемый вес связан с чувством усилия — величиной двигательных команд, которые направляются мышцам. За восприятие веса самого нашего тела и его частей тоже отвечает центральная нервная система, но нет конкретных сенсорных рецепторов, которые были бы в этом задействованы. Воспринимаемый вес тела может меняться из-за усталости, анестезии и других факторов. Пациенты, перенесшие инсульт с параличом конечности, часто жалуются на то, что конечность стала тяжелее. Протезы тоже кажутся людям более тяжелыми, хотя часто весят меньше реальной руки или ноги. Элиза Ферре (Elisa R. Ferrè) из Лондонского университета и ее коллеги решили выяснить, как люди воспринимают вес собственной кисти. В трех экспериментах участвовали 60 человек. До начала испытаний каждый участник опускал кисть левой руки, опирающейся на предплечье, на 30 секунд, чтобы оценить ее вес. Затем к уже лежащей на подушке руке крепили браслет, на который подвешивали грузы разной массы. Участники должны были сказать, что ощущалось тяжелее — кисть или груз. Грузом выступали пакетики с рисом, всего их было 16 штук, а их масса составляла от 100 до 600 грамм. В экспериментах ученые использовали психофизическую лестницу. Среднюю массу кисти, согласно ранее проведенным исследованиям, ученые взяли за 400 грамм. Первый подвешенный груз отличался на 200 грамм, то есть его масса составляла 200 либо 600 грамм — в зависимости от того, была лестница нисходящей или восходящей. Массу следующего груза выбирал алгоритм: если участник считал, что груз тяжелее ладони, следующий подвешенный груз был легче, и наоборот. Так спустя какое-то количество испытаний масса грузов начинала колебаться вокруг некоторой цифры — предполагаемой (участником) массы кисти. В первом эксперименте 20 участников просто сравнивали вес кисти и вес груза. Всего с ними провели три блока по 20 испытаний. В конце эксперимента ученые измерили реальную массу кистей участников, посчитав объем вытесненной рукой воды. Средняя масса кисти составила 327,9 грамм. Участникам, однако, казалось, что их кисть весит гораздо меньше: средний ощущаемый вес кисти оказался в среднем на 49,4 процента ниже, чем реальный, — то есть кисть, по мнению испытуемых, весила менее 200 грамм (p < 0,0001). Во втором эксперименте участвовало еще 20 человек. Теперь после серии испытаний ученые попросили людей в течение десяти минут делать упражнения с ручным тренажером, чтобы их кисть устала. Усталость люди оценивали по стобалльной шкале; до начала испытаний она составляла в среднем 10 баллов, а после упражнений — 70. И до, и после упражнений участники воспринимали свои ладони более легкими, чем есть на самом деле. Однако уставшая рука казалась им немного тяжелее, и ощущаемый вес был уже на 28,8 процента ниже реального (p < 0,01), по сравнению с 43,9 процента до упражнений (p < 0,0001). В третьем эксперименте другие 20 участников пытались взвесить свою руку и мешочки с рисом, однако теперь в каждом испытании они чувствовали поочередно и вес кисти, и вес груза. Независимо от того, что они взвешивали первым, рука все равно казалось им легче, чем она есть на самом деле — в среднем на 33,4 процента (p < 0,001) Исследователи предположили, что такое искажение восприятия, возможно, помогает нам сравнивать массы двух предметов, которые мы берем в обе руки. Если один предмет весит 400 грамм, а другой 500, и к ним добавляется еще и масса самих рук (около 3 килограмм), то распознать, что тяжелее, а что легче, будет сложно. Таким образом, перцептивное «вычитание» веса собственных конечностей может улучшить восприятие веса самих предметов. Также авторы считают, что занижение ощущаемого веса тела — механизм, который помогает нервной системе модулировать активность, или, наоборот, отдых. А воспринимаемый вес предметов можно изменить в виртуальной реальности. Например, если предмет движется медленнее, чем рука, он будет казаться немного тяжелее. А еще более тяжелыми виртуальные объекты станут, если надеть на запястья вибрирующие ремешки.