Як мозок відфільтровує шум для чіткішого зображення

Дослідники з Технологічного інституту Джорджії нещодавно розкрили механізм, завдяки якому наш мозок робить зображення чіткішими, відфільтровуючи зайвий шум. Йдеться про процес, відомий як бічна інгібіція, коли одні нейрони пригнічують активність сусідніх. Уявіть собі художника, який обводить контури предметів темними лініями, щоб підкреслити межі між об’єктами та фоном чи між самими об’єктами. Саме так бічна інгібіція у візуальній системі підсилює контраст між різними зоровими подразниками, роблячи сприйняття більш точним.

Ця здатність мозку не лише виділяти важливе, а й активно приглушувати несуттєве має ключове значення для повсякденного життя. Наприклад, коли ви йдете людною вулицею, ваш мозок допомагає зосередитися на дорожніх знаках, відкидаючи шум рекламних вивісок чи розмов перехожих.

Вчені вважають, що розуміння цього процесу може пояснити, чому в деяких людей із такими станами, як аутизм чи синдром дефіциту уваги з гіперактивністю, виникають труднощі з відфільтровуванням відволікаючих факторів або концентрацією на головному.

Дослідження також відкриває перспективи для створення досконаліших систем штучного інтелекту. Сучасні нейронні мережі зазвичай однаково обробляють усі обчислювальні одиниці, тоді як мозок розподіляє ролі між різними типами нейронів.

Ця спеціалізація може стати основою для розробки більш гнучких і ефективних технологій. Результати роботи опубліковані цього місяця в журналі Nature Neuroscience, і вони вже привернули увагу фахівців із різних галузей.

У центрі дослідження — два типи інгібіторних нейронів у зоровій корі: нейрони з парвальбуміном і нейрони з соматостатином. Щоб вивчити їхню роботу, вчені використали оптогенетику — метод, який дозволяє керувати активністю клітин за допомогою світла. Експерименти проводили на мишах, активуючи ці нейрони в їхній зоровій корі. Результати виявилися разючими: кожен тип нейронів виконує свою унікальну роль у приглушенні візуального поля.

Коли дослідники активували нейрони з парвальбуміном, чутливість до контрасту знижувалася рівномірно, подібно до того, як зменшується яскравість екрана комп’ютера. Натомість активація нейронів із соматостатином призводила до складнішого ефекту — змінювалася крива чутливості до контрасту, що відображає здатність зорової системи розрізняти відтінки. Це означає, що нейрони з соматостатином точніше налаштовують сприйняття, усуваючи надлишкові сигнали. Саме так бічна інгібіція допомагає мозку створювати чітке зображення, відкидаючи шум.

Ці нейрони діють як своєрідні гальма в зоровій системі, і їхня роль не менш важлива, ніж у нейронів, які відповідають за передачу сигналів. Мозок розвинув цю складну систему, де різні типи клітин працюють разом, щоб забезпечити точність сприйняття. Вчені припускають, що подібні процеси можуть відбуватися не лише в зоровій системі, а й у слуховій чи тактильній, де також потрібно відокремлювати головне від другорядного.

Результати дослідження можуть мати практичне значення. Розуміння того, як мозок фільтрує інформацію, відкриває шлях до нових методів лікування зорових розладів. Наприклад, у майбутньому це може допомогти людям із порушеннями сприйняття краще орієнтуватися в навколишньому світі. Крім того, принципи роботи інгібіторних нейронів можуть бути використані для створення штучного інтелекту, здатного імітувати людське сприйняття з більшою точністю.

Ідея цього дослідження виникла ще десять років тому, коли один із його авторів працював над подібними питаннями як постдокторант. Сьогодні ця робота об’єднала зусилля кількох фахівців. Провідним автором став Джозеф Дель Росаріо, колишній аспірант лабораторії Біляля Хайдера, доцента кафедри біомедичної інженерії імені Воллеса Култера в Технологічному інституті Джорджії. Важливий внесок зробила Ханна Чой, доцентка Школи математики, разом зі своєю дослідницькою групою з математичної нейронауки. Саме вони розробили обчислювальні моделі, які підтвердили біологічні спостереження. Керівником проєкту виступив Біляль Хайдер, який наголосив на важливості співпраці між нейронаукою та математикою для розуміння принципів роботи мозку.