Neskutečné překvapení: Vědci objevili nový mechanismus mozku

6. 9. 2024 (mai) - Vědci z Sainsbury Wellcome Center na UCL zjistili, jak neokortex a thalamus spolupracují, aby odhalily nesrovnalosti mezi tím, co mozky očekávají od svého prostředí, a skutečnými událostmi. Tyto chyby predikce jsou implementovány selektivním zesílením neočekávaných senzorických informací. Tato zjištění zvyšují naše chápání prediktivního zpracování v mozku a mohou nabídnout pohled na to, jak se mozkové okruhy mění u poruch autistického spektra (ASD) a poruch schizofrenního spektra (SSD).

Studie, nedávno publikovaná v časopise Nature, popisuje, jak vědci studovali myši v prostředí virtuální reality, aby získali přehled o povaze chybových signálů v mozku a mechanismech jejich vývoje.

"Náš mozek neustále předpovídá, co můžeme očekávat ve světě kolem nás, a důsledky našich činů. Když se tyto předpovědi ukáží jako špatné, způsobí to silnou aktivaci různých oblastí mozku a takové signály chyb předpovědí jsou důležité pro to, aby nám pomohly poučit se z našich chyb a aktualizovat naše předpovědi. Ale navzdory jejich důležitosti je překvapivě málo známo o mechanismech nervových obvodů, odpovědných za jejich implementaci v mozku," vysvětlila profesorka Sonja Hofer, vedoucí skupiny ve SWC a spoluautorka studie.

Aby vědci zkoumali, jak mozek zpracovává očekávané a neočekávané události, umístili myši do prostředí virtuální reality, kde se mohly pohybovat po známém koridoru, aby se dostaly k odměně. Virtuální prostředí umožnilo týmu přesně ovládat vizuální vstupy a zavádět na stěnách neočekávané obrazy. Pomocí techniky zvané dvoufotonové zobrazování vápníku byli vědci schopni zaznamenat nervovou aktivitu z mnoha jednotlivých neuronů v primární zrakové kůře, první oblasti v našem neokortexu, která obdržela vizuální informace z očí.

VIP a pulvinární interakce. Kredit: Sainsbury Wellcome Center 

"Předchozí teorie navrhovaly, že signály chyb předpovědi kódují, jak se skutečný vizuální vstup liší od očekávání, ale překvapivě jsme pro to nenašli žádný experimentální důkaz. Místo toho jsme zjistili, že mozek zesiluje reakce neuronů, které nejvíce preferují neočekávaný vizuální vstup. Chybový signál, který pozorujeme, je důsledkem tohoto selektivního zesílení vizuální informace. To znamená, že náš mozek detekuje nesrovnalosti mezi předpovědí a skutečnými vstupy, aby neočekávané události byly výraznější," vysvětlil Dr. Shohei Furutachi, vedoucí výzkumný pracovník v laboratořích Hofer a Mrsic-Flogel ve SWC a hlavní autor studie.

Aby pochopil, jak mozek generuje toto zesílení neočekávaného senzorického vstupu ve zrakové kůře, použil tým techniku ​​zvanou optogenetika k inaktivaci nebo aktivaci různých skupin neuronů. Našli dvě skupiny neuronů, které byly důležité pro způsobení signálu chyby predikce ve zrakové kůře: inhibiční interneurony exprimující vazoaktivní střevní polypeptid (VIP) ve V1 a oblast thalamu nazývaná pulvinar, která integruje informace z mnoha neokortikálních a subkortikálních oblastí a je pevně spojen s V1. Výzkumníci však zjistili, že tyto dvě skupiny neuronů interagují překvapivým způsobem.

"V neurovědách se často zaměřujeme na studium jedné mozkové oblasti nebo dráhy najednou. Ale z poznatků molekulární biologie mě fascinovalo, jak různé molekulární dráhy synergicky interagují, aby umožnily flexibilní a kontextovou regulaci. Rozhodl jsem se otestovat možnost, že by spolupráce mohla probíhat na úrovni nervových okruhů, mezi VIP neurony a pulvinarem," vysvětlil doktor Furutachi.

Práce doktora Furutachiho skutečně odhalila, že VIP neurony a pulvinar spolu působí synergicky. VIP neurony fungují jako ústředna: když jsou vypnuté, pulvinar potlačuje aktivitu v neokortexu, ale když jsou VIP neurony zapnuté, pulvinar může silně a selektivně posílit senzorické reakce v neokortexu. Kooperativní interakce těchto dvou drah tak zprostředkovává signály chyby senzorické predikce ve zrakové kůře.

Dalšími kroky týmu bude prozkoumat, jak a kde jsou v mozku předpovědi porovnávány se skutečným senzorickým vstupem pro výpočet chyb senzorické predikce a jak signály chyb předpovědí řídí učení. Budou také zkoumat, jak by jejich zjištění mohla přispět k pochopení ASD a SSD.

"Bylo navrženo, že ASD i SSD lze vysvětlit nerovnováhou v systému chyb predikce. Nyní se snažíme aplikovat náš objev na ASD a SSD modely, abychom studovali mechanické nervové obvody, které jsou základem těchto poruch," vysvětlil Dr Furutachi.

Zdroj: "Mechanismus kooperativního thalamokortikálního okruhu pro chyby senzorické predikce" od Shohei Furutachi, Alexis D. Franklin, Andreea M. Aldea, Thomas D. Mrsic-Flogel a Sonja B. Hofer, 28. srpna 2024, Nature .

DOI: 10.1038/s41586-024-07851-w

- mai