Мозговые цепи постепенно формируются и развиваются после рождения

Известно, что мозговые цепи постепенно формируются и развиваются после рождения как результат как врожденных биологических процессов, так и жизненного опыта. Прошлые исследования предполагают, что начальное развитие мозговых цепей происходит в два этапа. Первый этап происходит до того, как животные и люди начинают испытывать жизненный опыт. На этом этапе происходит начальная организация кортикальных сетей с помощью внутренних (то есть эндогенных) механизмов.

После формирования этой начальной организации начинается второй этап. Этот второй этап включает в себя уточнение кортикальных сетей с течением времени в ответ на индивидуальный жизненный опыт животного или человека.

Исследователи Института передовых исследований Франкфурта (FIAS), Университета Гёте во Франкфурте и Института нейронауки Макса Планка во Флориде недавно исследовали процессы, поддерживающие раннее развитие нейронных цепей в зрительной коре мозга млекопитающих. Их статья, опубликованная в журнале Nature Neuroscience, раскрывает паттерны кортикальной активности, происходящие в зрительной коре хорька до и после того, как только что рожденные детеныши откроют глаза.

«Основная структура кортикальных сетей возникает рано в процессе развития, до начала сенсорного опыта», — написали в своей статье Сигрид Трегенап, Дэвид Э. Уитни и их коллеги. «Однако, как эндогенно сгенерированные сети реагируют на начало сенсорного опыта и как они формируют зрелые сенсорные представления с опытом, остаётся неясным. Мы исследовали этот «преобразующий процесс природы и воспитания» на уровне отдельных испытаний, используя хроническую кальциевую визуализацию in vivo в зрительной коре хорька».

Чтобы лучше понять, что происходит в зрительной коре хорьков до и после рождения, исследователи использовали метод, называемый кальциевой визуализацией in vivo. Этот метод визуализации использует специальные красители или генетически закодированные белки, которые начинают светиться при повышении уровня кальция, что происходит в нейронах, когда они становятся активными.

Трегенап, Уитни и их коллеги использовали кальциевую визуализацию для записи активности нейронов в зрительной коре хорька до того, как детеныши хорьков впервые открыли глаза, когда они впервые их открыли и через неделю после рождения. Интересно, что они наблюдали различные паттерны активности на этих разных этапах раннего развития. «При открытии глаз визуальная стимуляция вызывает выраженные паттерны модульной кортикальной активности, которые сильно варьируются как внутри, так и между испытаниями, что значительно ограничивает различимость стимулов», — написали Трегенап, Уитни и их коллеги.
«Эти начальные паттерны, вызванные стимуляцией, отличаются от паттернов спонтанной активности сетей, присутствующих до и во время открытия глаз. В течение недели нормального визуального опыта кортикальные сети развивают низкоразмерные, высоко надежные визуальные представления, которые соответствуют перераспределенным паттернам спонтанной активности».

В целом, результаты этого исследования предполагают, что активность в зрительной коре хорьков и, возможно, других млекопитающих значительно варьируется до, во время и после рождения. Их наблюдения показывают, что когда хорёк впервые открывает глаза, его мозг испытывает трудности с созданием последовательных представлений того, что животное видит в первый раз.

Однако уже через неделю жизни активность мозга того же хорька меняется. Они наблюдали стабильные нейронные паттерны, связанные с представлениями визуальных стимулов. В рамках своего исследования ученые также разработали вычислительную модель, которую они использовали для искусственного воспроизведения ранних процессов развития, которые они наблюдали.

«Используя вычислительную модель, мы предлагаем, что надежные визуальные представления возникают благодаря выравниванию прямых и рекуррентных кортикальных сетей, формируемых новыми паттернами визуально управляемой активности», — написали исследователи.

Основываясь на своих выводах, Трегенап, Уитни и их коллеги предполагают, что визуальные представления формируются в результате двух типов кортикальных сетей: одной, которая передает входящие сенсорные сигналы (то есть прямой), и другой, которая уточняет визуальные представления через внутренние процессы (то есть рекуррентный). Их статья может в ближайшее время повлиять на дальнейшие нейробиологические исследования, посвященные раннему развитию мозга, а также, возможно, на создание новых моделей искусственного интеллекта (ИИ), которые будут имитировать динамику, которую они наблюдали.