Глаза часто называют «зеркалом души». На самом деле в этом есть крупица нейробиологической истины. Международная исследовательская группа может дать ответы на вопрос, почему на размер зрачка влияют не только сенсорные стимулы, такие как свет, но и наше внутреннее состояние, такие как страх, волнение или внимание. Выводы опубликованы в научном журнале Nature.
Искусственный интеллект в научной работе
Исследователи начали свою работу с изучения того, как зависящие от состояния изменения размера зрачка влияют на зрение мышей.
«В то время как глаза преобразуют свет в нейронную активность, именно головной мозг имеет решающее значение для интерпретации визуальных сцен», — утверждает автор исследования Катрин Франке (Katrin Franke) из Тюбингенского университета (University of Tübingen).
В своих экспериментах исследователи показывали мышам разноцветные изображения и регистрировали активность тысяч отдельных нейронов в зрительной коре, особенно важной области головного мозга, ответственной за зрительное восприятие. Основываясь на этих данных, ученые использовали глубокие нейронные сети для создания компьютерной модели цифрового двойника коры, имитирующей реакции большого количества нейронов в мозге. Затем исследователи использовали эту компьютерную модель для определения оптимального визуального светового стимула для каждого нейрона, то есть «любимого изображения» каждого нейрона.
Влияние на зрительное восприятие
Полученная модель выявила кое-что весьма интересное: когда у мышей расширились зрачки вследствие настороженности, цветовая чувствительность нейронов изменилась с зеленого на синий свет в течение нескольких секунд, что означает, что нейроны были более чувствительными к зеленому в спокойном состоянии и стали более чувствительными к синему в активном состоянии.
Затем с помощью капель, расширяющих зрачок, исследователи смогли смоделировать более высокую чувствительность к синему свету даже при спокойном состоянии мозга.
«Эти результаты ясно демонстрируют, что расширение зрачка в состоянии бодрствования мозга может напрямую влиять на зрительную чувствительность и, возможно, на зрительное восприятие. Механизм здесь заключается в том, что расширенный зрачок пропускает больше света в глаз, задействуя различные типы фоторецепторов в нашей сетчатке и тем самым косвенно изменяя цветовую чувствительность зрительной коры», — заявила Франке.
Но каковы преимущества этого изменения зрительной чувствительности?
Константин Виллеке (Konstantin Willeke), соавтор исследования, заявил: «Мы смогли показать, что более высокая чувствительность нейронов к синему свету, вероятно, помогает мышам лучше распознавать хищников на фоне голубого неба».
Созданная исследователями компьютерная модель также может оказаться полезной во многих отношениях. Исследователи надеются, что ученые смогут использовать эту модель для дальнейших экспериментов, чтобы понять визуальную обработку.
«Сочетание высокопроизводительных экспериментальных данных с моделированием ИИ открывает новую эру в исследованиях в области нейробиологии. Это позволяет нам извлекать точные цифровые двойники реальных биологических систем из данных», — утверждает Фабиан Синс (Fabian Sinz) из Геттингенского университета (Göttingen University). «С помощью этих цифровых двойников мы можем проводить практически неограниченное количество экспериментов на компьютере. В частности, мы можем использовать их для создания очень конкретных гипотез о биологической системе, которые мы затем можем проверить в физиологических экспериментах».
Авторы другого исследования заявляют, что величина зрачка помогает диагностировать депрессию.
С помощью реакции зрачка можно определить признаки афантазиии — исследование
