Нейроны коры головного мозга способны к самоорганизации
Ученые из Университета Миннесоты и Франкфуртского института перспективных исследований исследовали процессы, происходящие в коре головного мозга. Ученые обнаружили, что кора головного мозга может преобразовывать случайные входные данные в высокоорганизованные модели нейронной активности.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
«Эта трансформация важна в первую очередь потому, что она, по-видимому, происходит полностью внутри самой коры головного мозга, то есть мозг сам организует свои функции во время развития», — говорит соавтор работы Гордон Смит.
Ученый поясняет, почему это так важно: «Это говорит о том, что нарушения локальных взаимодействий между соседними нейронами могут радикально изменить глобальные функции мозга, а это в дальнейшем может повлиять на сенсорное восприятие и, возможно, привести к расстройствам нервного развития, таким как аутизм».
В самоорганизующейся системе локальные взаимодействия объединяются, порождая крупномасштабные структуры. Объединив теорию и эксперимент, исследовательская группа смогла показать, что математические законы, аналогичные тем, которые управляют развитием структур мозга, работают в самом широком спектре живых и неорганических систем, таких, например, как формирование пятен в окраске рыб или расстояние между песчаными дюнами.
Как возникают нейронные сети
«Наши результаты показывают, что паттерны нейронной активности в ранней коре возникают динамически через петли обратной связи, которые включают баланс между локальной активацией и боковым торможение. Это подтверждает теоретическую гипотезу развития мозга, возникшую еще десятилетия назад», — сказал соавтор работы Маттиас Кашубе.
Этот класс моделей опирается на теорию Алана Тьюринга, посвященную процессам морфогенеза.
Исследовательская группа использовала оптические инструменты, чтобы напрямую продемонстрировать, как крупномасштабная структура нейросетей мозга возникает из самих сетей, а не воспроизводит внешний паттерн. Исследовательской моделью стали генномодифицированные хорьки.
«Благодаря использованию передовых оптических методов эти эксперименты позволили нам проверить давнюю научную теорию и показать, что мозг организует свою собственную деятельность на раннем этапе развития», — сказал доктор Смит.
Ученые в дальнейшем собираются описать конкретные процессы изменений коры и разобраться, как самоорганизация нейронов, запущенная на ранних этапах развития, влияет на сенсорное восприятие взрослого организма. В первую очередь это важно для понимания причин аутизма.