Может ли нейрон удивляться?
#neuro

Публикация: Liu, B., & Buonomano, D. V. (2025). Ex vivo cortical circuits learn to predict and spontaneously replay temporal patterns. Nature Communications, 16(1), 3179.

Наш мозг — предсказатель. Он не просто реагирует на стимулы — он строит гипотезы о будущем, сверяет ожидания с реальностью и вычисляет ошибки предсказания. Эти допущения легли в основу целой теории предсказательного кодирования (predictive coding) в авторстве Карла Фристона, одного из самых влиятельных нейробиологов.

📌Согласно этой теории, мозг постоянно генерирует внутренние модели мира и использует их, чтобы предугадывать, какие сигналы он вот-вот получит от органов чувств. Когда ожидания не совпадают с тем, что произошло в реальности, возникает ошибка предсказания и мозг обновляет модель, чтобы в следующий раз ошибиться меньше. В более общей версии этой теории Фристон выводит принцип свободной энергии: живой организм выживает, постоянно предсказывая, что с ним будет, и стараясь, чтобы реальность совпадала с этими предсказаниями. Он делает это, минимизируя свободную энергию — доступную ему меру неожиданности/неопределённости. Чем меньше “сюрпризов”, тем лучше.

‼️Казалось бы, для таких сложных процессов — предсказаний, ошибок, обновлений модели — нужна сложная иерархия нейронных связей. Но свежее исследование показало, что достаточно пары десятков нейронов.

Исследование проводилось на органотипических срезах коры мозга мыши — это тонкие участки ткани, выращенные вне организма (ex vivo) и живущие “в чашке Петри”, но сохраняющие архитектуру корковых сетей. В две группы нейронов были внедрены разные светочувствительные белки (опсины): одни активировались красным светом, другие — синим.

В течение 24 часов срез обучали парной стимуляции: сначала подавался красный свет и реагировали “красные” нейроны, затем с задержкой — синий, вызывающий ответ “синих” нейронов. В одних случаях задержка между красным и синим стимулом была короткой (10 мс), в других — длинной (370 мс). Эту процедуру можно рассматривать как ex vivo версию классического обусловливания Павлова: в этой схеме красный свет выполняет роль условного стимула — он запускает первую волну активации, а синий свет — безусловного стимула, к которому сеть постепенно учится привязывать первый по времени.

После обучения исследователи предъявляли только красный свет. Обнаружилось следующее:
✨Нейроны, ранее активировавшиеся на синий свет, начинали активироваться и при подаче только красного — причём с той же задержкой, которая была в период обучения. То есть сеть не просто выучила ассоциацию, но и закодировала временной интервал между стимулами (это наблюдалось только у тех срезов, которые тренировались с длинной задержкой).
✨В некоторых случаях нейронный ответ был сильнее в отсутствие ожидаемого второго стимула, чем когда он действительно предъявлялся — как будто сеть “удивлялась” нарушению привычного паттерна. Это интерпретируется как ошибка предсказания.
✨Даже при полном отсутствии внешней стимуляции нейроны спонтанно воспроизводили выученные временные паттерны, как если бы они "репетировали" то, что запомнили. Это спонтанное воспроизведение (replay) — редкий пример автогенерируемой динамики изолированной ткани.

На важность этих результатов обратил внимание и сам Карл Фристон, написав к работе комментарий "Can a single brain cell be surprised?" Он подчеркивает два ключевых нюанса:
💡Это первое прямое свидетельство формирования ошибок предсказания на уровне отдельных нейронов, зафиксированное ex vivo;
💡Результаты подтверждают то, что асимметричная структура связей в микросети способна генерировать динамику с направленностью во времени, необходимую для предсказаний.

Таким образом, способность к предсказанию оказывается не привилегией целого мозга, а фундаментальным свойством самой нейронной ткани.