Ученые впервые показали, как мозг фильтрует визуальную информацию, чтобы спастись от перегрузки

Личинки рыбок данио совершают беспорядочные движения — рывками. Во время рывка их мозг снижает поток зрительных впечатлений. Исследователи выяснили это, записав активность нейронов в верхней части среднего мозга, тектуме. Это — область мозга, которая обрабатывает визуальную информацию, которую получают личинки рыбок.

Ученые показали, что пока личинки перемещаются, некоторые из нейронов передают меньше сигналов. Измерив электрический ток, поступающий в отдельные нервные клетки, ученые смогли показать, что снижению активности предшествовали короткие импульсы от тормозных синапсов. Эти тормозные импульсы на короткое время изменяют электрические свойства клеточной оболочки нейронов, так что клетки слабее реагируют на возбуждающие сигналы от сетчатки и, следовательно, сами передают другим нейронам меньше сигналов.

Чтобы обнаружить источник тормозных сигналов, нейробиологи исследовали локальную активность нейронов в поперечном сечении тектума. Для этого были взяты личинки рыбок данио, нейроны которых содержат генетически закодированный флуоресцентный краситель, чувствительный к кальцию и поэтому светящийся под флуоресцентным микроскопом при повышенных концентрациях катионов кальция (Ca2+). Такая повышенная концентрация Са2+ всегда возникает, если информация передается от нейрона к нейрону через синапсы.

Если флуоресценция возникает непосредственно перед плавательным движением, то возбуждающие синапсы, скорее всего, активируют те нейроны, которые контролируют движение. Однако если эти сигналы флуоресценции возникают после того, как личинки начали движение, то, скорее всего, это именно те синапсы, которые оказывают тормозящее действие на нейроны, управляющие визуальным восприятием.

Записи поперечного сечения показывают, что тормозные сигналы почти исключительно отправляются в верхние слои тектума. Эти слои в основном содержат ответвления нервных клеток из соседней области — покрышки, получающей, помимо прочего, сигналы от мозжечка. Поэтому ученые также изучили активность клеток покрышки. Здесь они также обнаружили увеличение концентрации Ca2+ сразу после начала рывка, и хотя это еще не является четким доказательством того, что тормозные сигналы возникают именно в покрышке, измерения дают для этого основания.

Личинки рыбок данио представляют собой широко распространенную систему моделирования в нейробиологии, поскольку они имеют длину всего несколько миллиметров и главное — они прозрачны. Активность их нейронов можно измерить с высоким разрешением во всех областях мозга. Их мозг имеет относительно ограниченную сложность: подобно мозгу плодовых мух, личинки рыбок данио имеют только 100 000–200 000 нейронов (напомним, что у человека в головном мозге — около 100 миллиардов нейронов). При этом строение нервной системы данио сходно со структурой других позвоночных, благодаря чему основные функции мозга можно изучать с помощью этой простой модели.

Поэтому нейробиологи полагают, что их выводы могут быть частично перенесены на процессы в человеческом мозге: «Благодаря нашим измерениям мы впервые визуализировали сигналы на уровне клеток, которые защищают нас от чрезмерной визуальной стимуляции при быстром движениями», — говорит Боллманн.

Когда мы смотрим в одну точку — картинка меняется мало. Но когда мы поворачиваем голову, перед нами возникает целый ряд кадров высокого разрешения, и, вероятно, это слишком сильная визуальная стимуляция, и мозг включает тормозящие функции в нейронах. Теперь у нас есть основания полагать, что это включение происходит именно в области покрышки.