Miševi su uvek u pokretu. Čak i ako nema spoljne motivacije za njihove postupke – poput mačke koja vreba nekoliko stopa dalje – miševi neprestano pomiču svojim brkovima napred-nazad, njuškajući okolinu i negujući se.
Ove spontane akcije osvetljavaju neurone u mnogim različitim regionima mozga, obezbeđujući neuronsku reprezentaciju onoga što životinja radi iz trenutka u trenutak u mozgu. Ali kako mozak koristi ove uporne, široko rasprostranjene signale ostaje misterija.
Sada su naučnici u HHMI-jevom istraživačkom kampusu Janelia razvili alat koji bi mogao dovesti istraživače korak bliže razumevanju ovih zagonetnih signala širom mozga. Alat, poznat kao Facemap, koristi duboke neuronske mreže da poveže informacije o pokretima oka, brkova, nosa i usta miša sa neuronskom aktivnošću u mozgu.
„Cilj je: Koja su to ponašanja koja su zastupljena u tim regionima mozga? I, ako je mnogo tih informacija u pokretima lica, kako to možemo bolje pratiti?“ kaže Atika Sieda, diplomirani student u Stringer laboratoriji i glavni autor novog rada koji opisuje istraživanje.
Ideja za stvaranje boljeg alata za razumevanje signala u celom mozgu izrasla je iz prethodnih istraživanja vođa grupe Janelia, Karsena Stringera i Mariusa Pachitariua. Otkrili su da su aktivnosti u mnogim različitim oblastima u mozgu miša – za koje se dugo smatralo da su pozadinske buke – signali vođeni ovim spontanim ponašanjem. Još uvek je nejasno, međutim, kako mozak koristi ove informacije.
„Prvi korak u stvarnom odgovoru na to pitanje je razumevanje koji su to pokreti koji pokreću ovu aktivnost i šta je tačno predstavljeno u ovim oblastima mozga“, kaže Stringer.
Da bi to uradili, istraživači moraju da budu u stanju da prate i kvantifikuju pokrete i da ih povežu sa moždanom aktivnošću. Ali alati koji omogućavaju naučnicima da rade takve eksperimente nisu bili optimizovani za upotrebu na miševima, tako da istraživači nisu bili u mogućnosti da dobiju informacije koje su im potrebne. Naučnici iz Dženelije razvili su alat koji bi mogao da dovede istraživače korak bliže razumevanju signala širom mozga izazvanih spontanim ponašanjem. Alat, poznat kao Facemap, koristi duboke neuronske mreže da poveže informacije o pokretima oka, brkova, nosa i usta miša sa neuronskom aktivnošću u mozgu. Zasluge: Atika Sieda/HHMI Janelia Research Campus
„Sva ova različita područja mozga su vođena ovim pokretima, zbog čega mislimo da je zaista važno da bolje razumemo šta su ti pokreti zapravo jer naše prethodne tehnike zaista nisu mogle da nam kažu šta su bile“, kaže Stringer .
Da bi rešio ovaj nedostatak, tim je pogledao 2.400 video okvira i označio različite tačke na licu miša koje odgovaraju različitim pokretima lica povezanim sa spontanim ponašanjem. Uključili su 13 ključnih tačaka na licu koje predstavljaju individualna ponašanja, poput mućenja, negovanja i lizanja.
Tim je prvo razvio model zasnovan na neuronskoj mreži koji je mogao da identifikuje ove ključne tačke u video snimcima lica miša prikupljenim u laboratoriji pod različitim eksperimentalnim podešavanjima.
Zatim su razvili još jedan model zasnovan na dubokim neuronskim mrežama kako bi povezali ove ključne podatke o tački lica koji predstavljaju kretanje miša sa nervnom aktivnošću, omogućavajući im da vide kako spontano ponašanje miša pokreće nervnu aktivnost u određenom regionu mozga.
Facemap je precizniji i brži od prethodnih metoda koje se koriste za praćenje orofacijalnih pokreta i ponašanja kod miševa. Alat je takođe posebno dizajniran za praćenje lica miša i prethodno je obučen da prati mnogo različitih pokreta miša. Ovi faktori čine Facemap posebno efikasnim alatom: model može predvideti dvostruko veću neuronsku aktivnost kod miševa u poređenju sa prethodnim metodama.
U ranijem radu, tim je otkrio da spontano ponašanje aktivira neurone u vizuelnom korteksu, regionu mozga koji obrađuje vizuelne informacije iz oka. Koristeći Facemap, otkrili su da su ovi klasteri neuronske aktivnosti više rasprostranjeni po ovom regionu mozga nego što se ranije mislilo.
Facemap je besplatno dostupan i jednostavan za korišćenje. Stotine istraživača širom sveta već je preuzelo alat od kada je objavljen prošle godine.
„Ovo je nešto što ako bi neko želeo da počne, mogao bi da preuzme Facemap, pokrene svoje video zapise i dobije rezultate istog dana“, kaže Sieda. „To samo čini istraživanje, generalno, mnogo lakšim.“
