Полученные данные являются первым прямым доказательством того, что «гамма» мозговые волны в коре головного мозга влияют на восприятие и внимание. Имея в качестве доказательства только корреляции и ассоциации, нейробиологи годами спорили о том, играет ли гамма важную роль или это просто побочный продукт — «выхлопной дым», по словам одного из них, — такой мозговой активности.«Существует много волнений по поводу важности гамма-ритмов в поведении, а также много скептицизма», — сказал со-ведущий автор Джошуа Сигл, бывший аспирант Университета Брауна и Массачусетского технологического института, который сейчас работает в Институте Аллена. Неврология. «Вместо того, чтобы пытаться соотнести изменения гамма-ритмов с изменениями в поведении, как это делали исследователи в прошлом, мы решили напрямую контролировать клетки, производящие гамма».
В результате получилась мышь с усами, которые были примерно на 20 процентов более чувствительными.«Было много причин, по которым этот эксперимент мог потерпеть неудачу, но, к нашему удивлению, он был довольно решающим с самого первого предмета, который мы рассмотрели — что при определенных условиях мы можем создать сверхчувствительную мышь», — сказал Кристофер Мур, научный сотрудник. профессор нейробиологии Брауна и старший автор исследования. «Мы делаем мышь лучше, чем она могла бы сделать в противном случае».В частности, Мур и соавторы Зигл и Доминик Притчетт провели свои эксперименты, используя оптогенетику — технику использования света для управления паттернами возбуждения нейронов — для генерации гамма-ритма путем манипулирования тормозящими интернейронами в первичном сенсорном неокортексе мышей. . Эта часть мозга контролирует способность мыши обнаруживать слабые ощущения через усы.
По словам Мура, другая часть мозга обрабатывает более сильные и впечатляющие ощущения. Первичный сенсорный неокортекс, особенность млекопитающих, позволяет животному целенаправленно обращать внимание на более тонкие ощущения. Это разница между ощущением легкого касания кончика пальца деревянной доски, чтобы оценить, нужно ли ее немного больше отшлифовать, и ощущением падения деревянной доски на ногу.Прежде всего исследователи подтвердили, что мыши иногда естественным образом производят 40-герцовый гамма-ритм в сенсорной неокортексе.
Затем они оптогенетически сгенерировали этот гамма-ритм с точными импульсами синего света. Мыши с таким ритмом могли чаще обнаруживать более слабые вибрации, которые исследователи вызывали у их усов, чем мыши, у которых не было ритма в их мозгу.
Как контрольные, так и оптогенетически стимулированные мыши были подготовлены к тому, чтобы указывать на обнаружение ими предоставленного стимула, облизывая бутылку с водой. Вибрация, передаваемая мышам для восприятия, охватывала 17 различных уровней обнаруживаемости.Гипотеза команды заключалась в том, что гамма-ритм стимулированных нейронов, поскольку они подавляют передачу сообщений ощущений пирамидными нейронами в неокортексе со структурированной периодичностью, фактически упорядочивает пирамидальные сообщения в более связную и, следовательно, более сильную последовательность.
«Неудивительно, что эти синхронизированные всплески активности могут способствовать передаче сигнала, точно так же, как синхронные хлопки в толпе людей громче, чем случайные хлопки», — сказал Зигл.Эта идея предполагала, что время ритма имеет значение.Итак, в другом эксперименте Зигл, Притчетт и Мур изменяли начало гамма-ритма с шагом в 5 миллисекунд, чтобы увидеть, влияет ли это на восприятие.
Это было так. Мыши проявляли повышенную чувствительность только до тех пор, пока гамма-ритмы продолжались за 20-25 миллисекунд до появления тонких ощущений. В противном случае у мышей в среднем не оказывалось никакого влияния на чувствительность.
По словам Мура, одним из ключевых выводов результатов для нейробиологии является то, что способ, которым гамма-ритмы, по-видимому, структурируют обработку восприятия, более важен, чем простая частота возбуждения нейронов в сенсорной неокортексе. Мыши стали лучше чувствовать не потому, что нейроны стали более активными (а они этого не сделали), а потому, что они были вовлечены в точно рассчитанный ритм.
Хотя исследование предоставляет причинно-следственные доказательства функциональной важности гамма-ритмов, признал Мур, важные вопросы остаются открытыми. Точный механизм, с помощью которого гамма-ритмы влияют на обработку ощущений и внимание, не доказан, а только выдвинуты гипотезы.И в одном эксперименте мыши, подвергшиеся оптогенетической стимуляции, оказались менее способными обнаруживать наиболее очевидные и впечатляющие ощущения, даже когда они стали более чувствительными к более тонким.
Однако в других экспериментах их обнаружение основных ощущений не было нарушено.Но возможная потеря чувствительности к стимулам, которые легче ощутить, может быть согласована с переключением внимания на более слабые, сказал Притчетт, также бывший студент Брауна и Массачусетского технологического института, ныне работающий в Центре неизвестных Шампалимо в Лиссабоне, Португалия.«Мы показываем, что парадоксальным образом ритмический тормозной ввод работает на усиление пороговых стимулов, возможно, за счет заметных стимулов», — сказал он. «Это именно то, что вы ожидаете от механизма, который может отвечать за избирательное внимание в мозгу».
Поэтому Зигл, Притчетт и Мур говорят, что теперь они лучше понимают, что происходит в мозгу.