Сенсорная нейробиология

Сенсорная нейробиология — это раздел нейробиологии , который исследует анатомию и физиологию нейронов , которые являются частью сенсорных систем , таких как зрение, слух и обоняние. Нейроны в сенсорных областях мозга реагируют на стимулы, запуская один или несколько нервных импульсов ( потенциалов действия ) после предъявления стимула. Как информация о внешнем мире кодируется скоростью, временем и характером потенциалов действия? Этот так называемый нейронный код в настоящее время плохо изучен, и сенсорная нейробиология играет важную роль в попытках его расшифровки. Изучение ранней сенсорной обработки полезно, поскольку «более высокие» области мозга (например, те, которые участвуют в памяти или эмоциях) содержат нейроны, которые кодируют более абстрактные представления. Однако есть надежда, что существуют объединяющие принципы, управляющие тем, как мозг кодирует и обрабатывает информацию. Изучение сенсорных систем является важным шагом в нашем понимании функций мозга в целом.

Типичные эксперименты

Типичный эксперимент в области сенсорной нейробиологии включает в себя предъявление испытуемому серии соответствующих стимулов при наблюдении за мозгом испытуемого. Этот мониторинг может осуществляться неинвазивными методами, такими как функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) или электроэнцефалография (ЭЭГ), или более инвазивными методами, такими как электрофизиология , использование электродов для регистрации электрической активности отдельных нейронов или групп нейронов. фМРТ измеряет изменения в кровотоке, которые связаны с уровнем нейронной активности и обеспечивает низкое пространственное и временное разрешение, но предоставляет данные всего мозга. В отличие,Электрофизиология обеспечивает очень высокое временное разрешение (можно определить форму одиночных спайков ), и данные можно получить из отдельных клеток. Это важно, поскольку вычисления выполняются внутри дендритов отдельных нейронов.

Эксперименты с одним нейроном

В большей части центральной нервной системы нейроны общаются исключительно посредством отправки друг другу потенциалов действия , в просторечии известных как «спайки». Поэтому считается, что всю информацию о внешнем мире, которую кодирует сенсорный нейрон , можно получить по характеру его спайков. Современные экспериментальные методы не позволяют неинвазивно измерить отдельные спайки. Такое кодирование включает в себя теорию двойного процесса и то, как мы думаем сознательно и бессознательно.

Типичный эксперимент с одним нейроном будет состоять из изоляции нейрона (то есть перемещения нейрона до тех пор, пока экспериментатор не найдет нейрон, который вызывает спайки в ответ на тип предъявляемого стимула, и (необязательно) определения того, что все наблюдаемые спайки действительно происходят). от одного нейрона), а затем представляет протокол стимула. Поскольку нервные реакции по своей природе изменчивы (то есть их пиковый характер может зависеть не только от предъявленного стимула, хотя не вся эта изменчивость может быть настоящим шумом, поскольку на исследуемый сенсорный нейрон могут влиять и другие факторы, помимо представленного стимула). ), часто один и тот же протокол стимулирования повторяется много раз, чтобы почувствовать изменчивость, которую может иметь нейрон. Одним из распространенных методов анализа является изучение средней изменяющейся во времени скорости срабатывания нейрона, называемой гистограммой времени после стимула или PSTH.

Оценка рецептивного поля

нейрона Одна из основных целей сенсорной нейробиологии — попытаться оценить рецептивное поле ; то есть попытаться определить, какие стимулы и каким образом вызывают срабатывание нейрона. Один из распространенных способов найти рецептивное поле — использовать линейную регрессию, чтобы определить, какие характеристики стимула обычно вызывают возбуждение или депрессию нейронов. Поскольку рецептивное поле сенсорного нейрона может изменяться во времени (т.е. задержка между стимулом и эффектом, который он оказывает на нейрон) и в некотором пространственном измерении (буквально пространстве для зрения и соматосенсорных клеток, но и в других «пространственных» измерениях, таких как частота звука для слуховых нейронов), термин пространственно-временное рецептивное поле или STRF. для описания этих рецептивных полей часто используется

Естественные стимулы

Одной из недавних тенденций в сенсорной нейробиологии стало использование естественных стимулов для характеристики сенсорных нейронов. Есть веские основания полагать, что на сенсорные системы оказывалось эволюционное давление , чтобы они могли хорошо репрезентировать естественные стимулы, поэтому сенсорные системы могут демонстрировать наиболее подходящее поведение в ответ на естественные стимулы. Внедрение естественных стимулов в сенсорную нейронауку замедлилось из-за того, что математические описания естественных стимулов, как правило, более сложны, чем упрощенные искусственные стимулы, такие как простые звуки или щелчки при прослушивании или узоры линий при зрении. Теперь доступно бесплатное программное обеспечение, которое поможет нейробиологам, заинтересованным в оценке рецептивных полей, справиться с трудностями использования естественных раздражителей.

Сенсорная нейробиология также используется как восходящий подход к изучению сознания. Например, визуальное чувство и представление изучались Криком и Кохом (1998). и были предложены эксперименты для проверки различных гипотез в этом направлении исследований.

См. также

• Гипотеза эффективного кодирования
• Мультисенсорная интеграция