Деннис Барбур, доктор медицинских наук, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Школе инженерии Прикладная наука, изучающая нейрофизиологию, обнаружила на модели животных, что нейроны слуховой коры могут кодировать звуки иначе, чем считалось ранее. Сенсорные нейроны, такие как нейроны слуховой коры, в среднем реагируют относительно без разбора на начало нового стимула, но быстро становятся гораздо более избирательными.
Обычно считалось, что несколько нейронов, отвечающих на длительность стимула, кодируют идентичность стимула, в то время как многие нейроны, реагирующие вначале, считали, что кодируют только его присутствие. Эта теория делает предсказание, которое никогда не проверялось, — что неизбирательные начальные реакции будут кодировать идентичность стимула менее точно, чем то, как выборочные ответы регистрируются на протяжении звука.
«В начале звукового перехода вещи диффузно кодируются в популяции нейронов, но звуковая идентичность оказывается более точно закодированной», — сказал Барбур. «В результате вы можете быстрее идентифицировать звуки и действовать в соответствии с этой информацией. Если вы получите примерно такой же объем информации для каждого всплеска нейронной активности потенциального действия, как мы обнаружили, то чем больше всплесков вы можете применить к проблеме, тем быстрее вы сможете решить, что делать. Нейронные популяции вырастают сильнее всего и наиболее точно кодируют в начале стимула ».Исследование Барбура включало запись отдельных нейронов.
Чтобы провести аналогичные измерения активности мозга у людей, исследователи должны использовать неинвазивные методы, которые усредняют множество нейронов вместе. Методы связанного с событием потенциала (ERP) записывают сигналы мозга через электроды на коже черепа и отражают нейронную активность, синхронизированную с началом воздействия. Функциональная МРТ (фМРТ), с другой стороны, отражает активность, усредненную за несколько секунд. Если бы мозг использовал принципиально разные схемы кодирования для начала по сравнению с постоянным присутствием стимула, можно было бы ожидать, что эти два метода разошлись бы в своих выводах.
Однако оба обнаруживают нейронное кодирование идентичности стимула.«В течение очень долгого времени, но особенно в последние пару десятилетий, было много споров о том, является ли представление информации в мозге распределенным или локальным», — сказал Барбур.
«Если функция локализована, при этом небольшое количество нейронов, сгруппированных вместе, делают аналогичные вещи, это согласуется с разреженным кодированием, высокой избирательностью и низкой частотой всплесков популяции. Но если у вас есть распределенная активность или много нейронов участвуют повсюду, это в соответствии с плотным кодированием, низкой избирательностью и высокими показателями популяции. В зависимости от того, как проводится эксперимент, нейробиологи видят и то, и другое.
Наши данные показывают, что это может быть и то, и другое, в зависимости от того, какие данные вы смотрите и как вы их анализируете ».Барбур сказал, что это исследование является наиболее фундаментальной работой по построению теории того, как информация может быть закодирована для обработки звука, но при этом подразумевает новый принцип сенсорного кодирования, потенциально применимый к другим сенсорным системам, например, как запахи обрабатываются и кодируются.
Ранее в этом году Барбур работал с Барани Раманом, доцентом биомедицинской инженерии, чтобы исследовать, как обрабатывается присутствие и отсутствие запаха или звука. Хотя время отклика между обонятельной и слуховой системами различно, нейроны реагируют одинаково.
Результаты этого исследования также дали убедительные доказательства того, что может существовать сохраненный набор мотивов обработки сигналов, который потенциально является общим для разных сенсорных систем и даже для разных видов.