Как мозг «видит» реальность: израильские ученые раскрыли тайну зрения
Более 60 лет нейробиологи пытались понять, как мозг превращает базовые световые сигналы в целостные объекты. Новое исследование, опубликованное в журнале Science, впервые подтвердило механизм, предложенный еще в 1962 году, доказав, как именно нервные клетки в зрительной коре обрабатывают информацию.
В течение десятилетий один из фундаментальных вопросов нейробиологии оставался открытым: как мозгу удается брать необработанную информацию, поступающую от глаз — линии, углы и контрасты — и превращать ее в богатый мир объектов, пространства и смыслов? Теперь новое исследование, проведенное под руководством профессора Артура Коннерата из Технического университета Мюнхена при участии профессора Исраэля Нелкена из Еврейского университета в Иерусалиме и опубликованное в журнале Science, впервые предоставляет прямое доказательство теории, предложенной еще в 1962 году. Путем картирования всех входных сигналов в одну нервную клетку в зрительной коре с беспрецедентной точностью команда подтвердила «модель прямой связи» (feedforward) лауреатов Нобелевской премии Дэвида Хьюбела и Торстена Визеля.
Человеческое зрение начинается задолго до того, как в мозгу формируется изображение. На первом этапе речь идет о необработанной информации, источником которой является свет — она должна пройти преобразование, прежде чем обретет смысл. «Свет улавливается сетчаткой глаза, это известно еще со времен античности», — объясняет профессор Нелкен из Центра нейронаук имени Эдмонда и Лили Сафра при Еврейском университете, руководитель исследования. «Сетчатка находится в задней части глазного яблока, где происходит трансформация света в электричество. Электричество — это внутренний язык мозга. Свет превращается в электрические импульсы, и оттуда информация проходит через промежуточную станцию, называемую таламусом, в зрительную кору, расположенную в затылочной части мозга».
Путь к пониманию того, как мозг обрабатывает визуальные данные, был долгим. «Тем, кто обнаружил связь зрительной коры со зрением, был японский врач Тацудзи Иноуэ в 1905 году», — говорит Нелкен. «Это произошло во время Русско-японской войны, в которой участвовал Иосиф Трумпельдор. Доктор Иноуэ заметил, что солдаты, получившие ранения в затылочную часть головы, теряли способность видеть. Так эта область была идентифицирована как зрительная, но тогда еще не знали, как именно она функционирует».
Настоящий прорыв произошел в начале 60-х годов с исследованиями Дэвида Хьюбела и Торстена Визеля. Они обнаружили, что на первых этапах зрительной системы нервные клетки реагируют на маленькие точки света, но в зрительной коре они начинают реагировать на линии. «Хьюбел и Визель показали, что клетки в зрительной коре чувствительны к линиям, а не к точкам. Это был первый случай в истории нейробиологии, когда удалось указать на процесс вычисления: переход от чувствительности к маленькой точке к чувствительности к направленным линиям».
От гипотезы к доказательству
Однако долгое время существовал разрыв между теорией и практикой. «Проблема заключалась в технических трудностях», — поясняет профессор Нелкен. «Чтобы показать, как происходит трансформация входных сигналов из таламуса, нужно измерить все импульсы, поступающие в нервную клетку, и понять, как она их суммирует. До сегодняшнего дня это было невозможно, так как каждая клетка получает сотни сигналов от таламуса и тысячи — из других отделов мозга».
Только в последние годы появились инструменты, позволившие проверить гипотезу напрямую. Исследовательская группа использовала продвинутый метод, позволяющий заглянуть в деятельность мозга с разрешением до отдельных синапсов. С помощью визуализации глутамата, основного нейромедиатора, исследователи смогли в реальном времени проследить за тем, как нервные клетки общаются друг с другом в живом мозгу.
В ходе эксперимента ученые картировали входные ответвления одной нервной клетки и идентифицировали почти 90% активных возбуждающих связей с ней. «Метод сочетает в себе два "чуда" последних лет», — отмечает Нелкен. «Первое — это многофотонная микроскопия, позволяющая увидеть объекты размером с синапс внутри живого мозга. Второе — генная инженерия, позволившая создать белок, который излучает свет при связывании с глутаматом. Сочетание этого белка и микроскопа сделало проект возможным».
Заглянуть глубже
Помимо разрешения научного спора, длившегося десятилетиями, исследователи подчеркивают, что на данном этапе речь идет прежде всего о методологическом прорыве. «Основной вклад заключается не только в подтверждении теории, но и в том, что будут делать с этими методами в будущем. Это становится инструментом, позволяющим заглянуть глубже в то, что делает нервная клетка в коре головного мозга», — говорит профессор Нелкен.
Исследование также затрагивает глубокие философские вопросы о том, как материя превращается в сознание. «Одна из вещей, которую мне трудно передать, — это насколько удивителен факт, что между материальным миром и нашим сознательным восприятием находится эта вещь, называемая мозгом. Когда мы исследуем зрительное восприятие, мы видим маленький, но четко определенный уголок этого чуда — того, как материя превращается в дух».
Наряду с фундаментальным аспектом, исследователи указывают на медицинский потенциал. Понимание работы мозга поможет в лечении нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона, а также психиатрических расстройств, включая шизофрению и депрессию. «Наше открытие — это прежде всего демонстрация того, что метод работает. Такая статья — это скорее веха, чем немедленный ответ на все трудные вопросы, но она открывает путь к новым открытиям».
