Исследование на электрических рыбах раскрывает мозговые механизмы различения своего и чужого

Способность мозга воспринимать внешний мир почти полностью зависит от его возможности отфильтровывать «шум», генерируемый собственными действиями тела. К такому выводу пришли учёные из Колумбийского университета в первом в своём роде исследовании на электрических рыбах.

Этот механизм «шумоподавления» настолько критичен, что без него животные теряли способность ощущать окружающую среду — фактически становясь слепыми к миру вокруг. Результаты могут помочь лучше понять такие расстройства, как тиннитус — хронический и потенциально изнурительный звон в ушах, который может быть частично связан со сбоями в способности мозга подавлять самогенерируемые звуки.

Исследование опубликовано в журнале Neuron.

«На самом фундаментальном уровне цель мозга — создать точное и стабильное представление об окружающем нас мире, и мы давно предполагали, что этот механизм шумоподавления играет в этом роль, — сказал Натаниэль Соутелл, старший автор статьи. — Наше исследование предоставляет прямые доказательства, что этот механизм необходим для улучшения и усиления способности мозга ощущать окружающую среду».

Как мозг правильно воспринимает и реагирует на множество внешних сенсорных стимулов, не смешивая их с сигналами от собственных действий тела, долгое время было предметом интенсивного изучения. Предыдущие работы доктора Соутелла на электрических рыбах и мышах показали, как мозг отменяет предсказуемую сенсорную информацию, генерируемую самим животным и не несущую полезных данных.

«Мозг постоянно получает как сенсорную информацию, так и внутренние сигналы, связанные с собственным поведением животного. Эти внутренние сигналы действуют как своего рода идентификационный тег, подсказывая мозгу, какие компоненты самогенерируемые, а какие — нет, — объяснил доктор Соутелл. — Со временем эти внутренние сигналы формируют в мозге так называемый "негативный образ". Он действует как механизм вычитания, позволяя животному сосредоточиться на важных для поведения сигналах из внешнего мира».

В данном исследовании учёные подробнее изучили, как создание этого негативного образа влияет на общее сенсорное восприятие животного. Для этого они сосредоточились на рыбе-слонике из Африки, которая генерирует электричество для коммуникации и восприятия среды.

«Эти рыбы взаимодействуют с миром, создавая электричество, а затем используют его для поиска добычи или общения с другими рыбами, — сказал доктор Соутелл. — В лаборатории мы можем изучать эту характеристику как модель того, как другие животные, включая людей, ощущают своё окружение».

В ходе исследования учёные записали электрическую активность в определённом классе нейронов, где генерируются негативные образы. Оказалось, что эти нейроны способны реагировать на внешние сигналы только после формирования негативных образов.

Во втором эксперименте они нарушили механизм шумоподавления у животных и наблюдали за изменением их сенсорных способностей. Разница была разительной.

«Рыбы больше не могли отличить электрические сигналы, генерируемые окружающей средой, от сигналов, создаваемых их собственными действиями, — сказал доктор Соутелл. — Это означает, что они были фактически слепы к своему окружению на самом базовом уровне».

Эксперты давно подозревали, что негативные образы, создаваемые мозгом, служат этой цели, но прямое тестирование идеи было сложным. Электрические рыбы представляют идеальную систему для установления детальных связей между свойствами нейронных цепей и их поведенческой функцией.

«Эта нейронная цепь необычна, потому что о её физиологии и функции известно так много, но её прямая роль в поведении ранее никогда не проверялась, — сказал соавтор статьи Ларри Эбботт. — В этой статье описана элегантная серия экспериментов, показывающих, что вычисления, выполняемые в этой конкретной нейронной цепи, необходимы для способности рыб ориентироваться в окружающей среде».

Учёные продолжат работу над моделью того, как наш собственный мозг выполняет ту же задачу. Их исследование также даёт представление о том, что происходит, когда система нарушается.

«Один из примеров — тиннитус, вызывающий звон в ушах и, возможно, начинающийся в дорсальном кохлеарном ядре — области мозга, которую мы изучаем у мышей и которая имеет поразительное сходство с её человеческим эквивалентом в области мозга, называемой мозжечком, — сказал доктор Соутелл. — То, что мы узнаём у электрических рыб, вероятно, будет актуально для понимания того, как человеческий мозг отличает своё от чужого».