Neurologai turėjo problemų. Dešimtmečius mokslininkai turėjo teoriją apie tai, kaip gyvūno smegenys seka, kur jis yra, palyginti su aplinka, be pašalinių užuominų, pavyzdžiui, kaip mes žinome, kur esame, net užsimerkę.
Remiantis teorija, kuri buvo pagrįsta graužikų smegenų įrašais, neuronų tinklai, vadinami žiedo pritraukėjų tinklais, palaiko vidinį kompasą, kuris seka jūsų buvimo vietą pasaulyje. Buvo manoma, kad tiksliam vidiniam kompasui reikalingas didelis tinklas su daugybe neuronų, o mažas tinklas su keliais neuronais sukeltų kompaso adatos dreifą ir sukeltų klaidų.
Tada mokslininkai mažoje vaisinėje muselėje atrado vidinį kompasą.
„Musės kompasas yra labai tikslus, tačiau jis sukurtas iš tikrai mažo tinklo, priešingai nei buvo manoma ankstesnėse teorijose“, – sako „Janelia“ grupės vadovė Ann Hermundstad. „Taigi, mūsų supratimas apie smegenų kompasus buvo akivaizdus.”
Dabar HHMI Janelia tyrimų universiteto Hermundstado laboratorijos postdoc Marcella Noorman vadovaujamas tyrimas paaiškina šią mįslę. Naujoji teorija parodo, kaip galima sukurti visiškai tikslų vidinį kompasą su labai mažu tinklu, kaip vaisinėse muselėse. Išvados paskelbtos žurnale Gamtos neuromokslai.
Šis darbas keičia neuromokslininkų mąstymą apie tai, kaip smegenys atlieka daugybę užduočių – nuo darbinės atminties iki navigacijos iki sprendimų priėmimo.
„Tai tikrai praplečia mūsų žinias apie tai, ką gali padaryti maži tinklai”, – sako Noorman. „Jie iš tikrųjų gali atlikti daug sudėtingesnių skaičiavimų, nei buvo žinoma anksčiau.”
Žiedinio pritraukiklio generavimas
Kai Noorman atvyko į Janeliją 2019 m., jai buvo pristatyta Hermundstado ir kitų žmonių problema: kaip mažos vaisinės muselės smegenys gali sukurti tikslų vidinį kompasą?
Noormanas pirmiausia siekė parodyti, kad negalite sukurti žiedinio pritraukiklio su nedideliu neuronų tinklu, bet jums reikia pridėti „papildomų dalykų“, pavyzdžiui, kitų ląstelių tipų ir išsamesnių ląstelių biofizinių savybių, kad jis būtų sukurtas. dirbti. Norėdami tai padaryti, ji pašalino visus „papildomus dalykus“ iš esamų modelių, kad sužinotų, ar ji gali sukurti žiedinį pritraukiklį iš to, kas liko. Ji manė, kad tai nebus įmanoma.
Tačiau Noorman stengėsi įrodyti savo hipotezę. Tada ji nusprendė, kad jai reikia kitokio požiūrio.
„Turėjau apversti savo mąstyseną ir pagalvoti, gal todėl, kad su nedideliu tinklu galite sukurti žiedinį pritraukiklį, – sako ji, – ir tada išsiaiškinti, kokias konkrečias sąlygas turi tenkinti tinklas, kad tai įvyktų.
Pakeitusi savo prielaidą, Noorman atrado, kad iš tikrųjų įmanoma sukurti žiedinį atraktorių tik su keturiais neuronais, jei ryšiai tarp jų yra kruopščiai sureguliuoti. Noormanas dirbo su kitais Janelia tyrėjais, kad išbandytų naują teoriją laboratorijoje ir rastų fiziologinių įrodymų, kad musės smegenys gali sukurti žiedo pritraukiklį.
„Mažesni tinklai ir mažesnės smegenys gali atlikti sudėtingesnius skaičiavimus, nei manėme anksčiau“, – sako Noormanas. „Tačiau norint tai padaryti, neuronai turi būti sujungti daug tiksliau, nei kitu atveju reikėtų didesnėse smegenyse, kur galite naudoti daug neuronų, kad atliktumėte tą patį skaičiavimą.”
„Taigi yra kompromisas tarp neuronų, kuriuos naudojate šiam skaičiavimui, ir to, kaip kruopščiai turite juos sujungti“, – sako ji.
Toliau mokslininkai planuoja ištirti, ar „papildomi dalykai“ gali suteikti papildomo tvirtumo žiedo pritraukėjų tinklui ir ar bazinis skaičiavimas galėtų būti sudėtingesnių skaičiavimų blokas didesniuose tinkluose su keliais kintamaisiais. Papildomi eksperimentai taip pat galėtų padėti tyrėjams suprasti, kaip tinkle reguliuojami ryšiai tarp neuronų ir kaip sensoriniai ženklai gali paveikti tinklo galvos krypties vaizdą.
Noormanui, matematikui, tapusiam neuromokslininku, buvo sudėtinga, bet smagu išsiaiškinti, kaip biologiją paversti matematikos problema, kurią galima išspręsti.
„Musės galvos krypties sistema yra pirmasis mano matytas nervinės veiklos pavyzdys, todėl buvo smagu išsiaiškinti ir suprasti, kaip tai veikia“, – sako ji.