Как происходит развитие таких сложных систем как, например, зрение млекопитающих? Благодаря опытам с искажающей оптикой, мы знаем, что зрительная система очень пластична. Она способна быстро перестраиваться, когда внешний сигнал попадает на сетчатку глаза с сильными искажениями. Другими словами, зрительные отделы мозга постоянно учатся и подстраиваются под особенности внешнего мира. Но как в таком случае задаётся начальное состояние системы, её «настройки по умолчанию»?

Если мы можем позволить себе длительное обучение зрительной системы, её тренировку на реальных сигналах внешнего мира — как происходит, по всей вероятности, у человеческого ребенка — то задача формирования работоспособных нейронных сетей, на первый взгляд, упрощается. В ходе внутриутробного развития в этом случае происходит дифференцировка нейронов и выстраивается некий базовый набор связей между ними (как это происходит — отдельный вопрос). Затем, в процессе тренировки с уже открытыми глазами, эти сети нейронов сами приобретают более сложную систему связей, отражающую статистические закономерности внешнего мира. Такая гибкость в развитии мозга, по всей вероятности, способна обеспечить человеку успешное существование в мирах, сильно отличающихся от нашего.

Но как выйти из положения, когда адекватное поведение в мире требуется вскоре после рождения? В этом случае зрительная система не имеет возможности долго тренироваться. Она должна быть готова к использованию, что называется, out of the box. Один путь решения задачи — частично пожертвовать пластичностью. Мы пока не знаем наверняка, но, по всей вероятности, этот путь выбрали насекомые. Однако и среди млекопитающих есть те, кто не привык долго нянчить своих отпрысков — например, мыши. Как же происходит преднастройка зрения у мышат, пока их глаза ещё закрыты?

Авторы недавней работы, опубликованной в Science, попытались экспериментально ответить на этот вопрос. Их гипотеза состояла в том, что сетчатка ещё закрытого глаза заранее формирует специфический поток сигналов, сходный с возникающим позже, когда глаз откроется. Данные о спонтанно возникающих в эмбриональной сетчатке сигналах имелись и раньше, но не было понятно, насколько они соответствуют работе сетчатки смотрящего на мир глаза. Помимо этого, не была прослежена связь между спонтанными волнами нейронной активности в сетчатке и развитием всей зрительной системы.

Методически статья выглядит сложной, и может быть даже слишком сложной с точки зрения физиолога, привыкшего к более простым модельным животным. С другой стороны, примененные в работе подходы в итоге кажутся полностью оправданными, поскольку они позволили минимизировать повреждающие воздействия в остром эксперименте.

Активность ганглиозных клеток, аксоны которых образуют зрительный нерв, регистрировали не непосредственно в сетчатке, до которой непросто добраться без значимых повреждений, а в верхнем двухолмии (superior colliculus) среднего мозга, куда эти аксоны приходят. Область двухолмия удобна тем, что аксоны ганглиозных клеток проецируются в неё ретинотопически: там развернута непрерывная карта сетчатки. Производя имаджинг поверхностного слоя двухолмия, можно уверенно судить о том, какие сигналы приходят туда из сетчатки по аксонам ганглиозных клеток.

Но и до среднего мозга так просто не доберешься, поскольку он прикрыт корой больших полушарий. Чтобы справиться с этой проблемой, исследователи взяли специфическую линию мышей (Emx1-Cre; Tra2b^f/f), у которых подавлен нейрогенез корковых структур и, соответственно, поверхность верхнего двухолмия полностью открыта. Для контроля адекватности этой модели использовали также и нормальных мышей, у которых пришлось удалить часть коры мозга. Для того, чтобы зарегистрировать активность ганглиозных клеток (и только их), эти клетки заранее были помечены чувствительным к концентрации ионов кальция красителем, который при помощи вируса вводили со стороны глаза.

Спонтанные волны активности в сетчатке были обнаружены у мышей всех исследованных возрастов, с 3 по 29 день после рождения. А вот направление этих волн менялось в зависимости от возраста. С 8 по 11 день, незадолго до того, как у мышат открываются глаза, спонтанные волны сетчатки приобретали такое направление, как если бы мышонок перемещался вперёд, а изображения окружающих его предметов в зрительном поле, соответственно, смещались назад.

Такой результат усиливает гипотезу о тренировке зрительной системы до открытия глаз, однако не подтверждает её. Требовалось понять механизм возникновения специфически направленных спонтанных волн на сетчатке. Поняв механизм, можно было попробовать вмешаться в его работу и проверить, действительно ли такие «тренировочные» сигналы влияют на развитие зрительной системы.

Авторы работы экспериментально выяснили, что для появления направленности волн важна работа т.н. амакриновых клеток сетчатки, а точнее — отдельного их подтипа, названного за форму отростков звездчатыми или звездорасходящимися (starburst). Любопытно, что этот же подтип амакриновых клеток отвечает за первичную оценку направления движения в проецируемом на взрослую сетчатку подвижном изображении. Их избирательное удаление у новорожденных мышат (снова использовали специальную линию и вирус) не приводило к исчезновению спонтанной активности сетчатки, однако её направленность терялась.

К тому же эффекту, но временному, приводила инъекция габазина, антагониста ГАМК А-рецептора. Выбор нейромедиаторной цепи для экспериментальных воздействий был не случаен: во взрослой сетчатке томожение, опосредованное ГАМК, отвечает за первичную оценку направлений движения объектов ещё на уровне ганглиозных клеток, до попадания сигналов в мозг.

А вот хроническая инъекция габазина (с 7 по 12 день) влияла на последующую специализацию дирекциональных (избирательно чувствительных к направлению движения) нейронов в среднем мозге. Хотя поведенческие эксперименты в этой работе проведены не были, на основании полученных нейронных ответов можно предположить, что подавление спонтанных направленных волн в сетчатке существенно снижало способность зрительной системы оценивать направление движения объектов в поле зрения. В одном из контрольных опытов вместо хронического введения габазин инъецировали однократно, во время открытия глаз. Это не привело к сравнимому изменению дирекциональных свойств нейронов среднего мозга, что указывает на важность спонтанных волн на сетчатки глаза именно для развития зрительной системы. Более надёжно эти же эффекты удалось показать на мышах, изначально лишенных направленных волн в сетчатке (была использована ещё одна специальная линия мышей).

Таким образом, эксперименты подтвердили, что спонтанные направленные волны в сетчатке ещё закрытого глаза заранее готовят зрительные отделы мозга к типичному для поведения животного потоку зрительных сигналов. И если тем или иным способом нарушить эту спонтанную активность сетчатки, то и зрительный мозг развивается иначе.

Больше всего меня в этой статье удивило то, чего в ней, как ни странно, нет. При том, что авторы наглядно показывают в эксперименте предикцию зрительной системой будущих сигналов, результаты даже не обсуждаются с этой позиции. В то же время, ранние основополагающие работы по predictive coding (например, Rao & Ballard, 1999) были сделаны именно в рамках исследования зрения. И хотя предикция в реальном времени и тренировка системы на заранее синтезированных сигналах - немного разные вещи, механизмы работы сетчатки в обоих случаях могут быть одними и теми же.

Rao, R. P. N. & Ballard, D. H. (1999) Predictive coding in the visual cortex: Afunctional interpretation of some extra-classical receptive-field effects.Nature Neuroscience2(1):79–87

Новость подготовил © Воронцов Д.Д.

09.09.2021