Открытие поможет лучше понять нейропсихиатрические расстройства — и разобраться наконец в том, как устроено зрение.
Иллюзия — это когда мы видим и воспринимаем объект, который не соответствует сенсорному сигналу, поступающему в глаза. Взять, к примеру, широко известный квадрат Канижа. Четыре «пакмана» по углам дают сенсорный сигнал, а видим мы белый квадрат, которого на самом деле не существует.
Ученые из Института Аллена вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли нашли в мозге мышей нейронную цепь, ответственную за такие иллюзии в виде контуров, и показали, как она работает. Результаты исследования опубликованы в Nature Neuroscience.
Эти клетки получили название IC-энкодеры — кодировщики контуров иллюзий. Они заставляют мозг «видеть» то, чего на самом деле нет, в так называемом процессе завершения повторяющегося шаблона.
«Поскольку у IC-энкодеров есть уникальная способность запускать завершение образа, мы считаем, что им присуща особая выходная синаптическая связь, которая позволяет очень эффективно воссоздавать этот паттерн. Мы также знаем, что они получают нисходящие сигналы из высших зрительных областей. Представление иллюзии сначала возникает в них, а затем спускается в первичную зрительную кору — там его принимают IC-энкодеры», — объясняет нейробиолог Хеён Шин, которая теперь перешла в Сеульский университет.
Это похоже на бизнес-процессы в офисе: инструкция приходит сверху, а исполнитель на нижнем уровне выполняет ее. В данном случае «инструкция» состоит в том, чтобы увидеть или воспринять объект, которого на самом деле нет.
Применительно к зрению на примере иллюзии Канижа: высшие отделы мозга интерпретируют изображение как квадрат и «приказывают» нижним уровням зрительной коры «увидеть квадрат», хотя реальный стимул — это четыре неполных черных кружка.
Открытие сделали в экспериментах на мышах. Им показывали иллюзии, в том числе вышеупомянутую, наблюдая электрическую активность нейронов. Затем направляли лазерные лучи на IC-энкодеры помощью метода двухфотонной голографической оптогенетики, и те даже в отсутствие иллюзии перед глазами запускали такие же паттерны мозговой активности. То есть стимулируя эти специализированные нейроны, ученым удалось искусственно воспроизвести «мозговую картину» иллюзии.
Эти результаты дают новое понимание работы зрительной системы и восприятия и важны для изучения заболеваний, при которых она дает сбой.
«При некоторых болезнях в мозге возникают ненормальные паттерны активности; в случае шизофрении они связаны со спонтанным восприятием несуществующих в реальности образов. Если не понять, как формируются эти образы и какой ансамбль клеток их создает — не получится найти лечение. Поэтому важно знать, какие именно клетки и в каком слое вызывают такую активность», — говорит Жером Лекок из Института Аллена.
Успех экспериментов стал возможным во многом благодаря высокотехнологичному научному оборудованию.
«Благодаря шести зондам Neuropixels, распределенным по всему мозгу, исследователи могли наблюдать петли обратной связи с миллисекундной точностью в реальном времени», — уточнил Лекок.
Открытие меняет представления о восприятии. Современная наука склоняется к тому, что наше зрение меньше похоже на камеру, просто снимающую внешний мир, и больше — на монитор компьютера, который отображает сцену на основе вычислений и интерпретаций, опирающихся на прошлый опыт. А значит, то, что мы воспринимаем, во в известной мере подвержено интерпретации или даже манипуляции.