Мозг способен восстанавливать целостные образы даже при неполной сенсорной информации, и одним из примеров этого является восприятие иллюзорных контуров. Группа под руководством ученых из Калифорнийского университета в Беркли показала, что восприятие иллюзорных контуров у мышей формируется в слоях 2/3 первичной зрительной коры (V1) благодаря особым нейронам — авторы назвали их IC-энкодерами. Эти клетки не просто реагируют на отдельные сегменты изображения, а запускают механизм дополнения паттерна, достраивая недостающий контур даже без стимула. Таким образом, IC-энкодеры создают целостное восприятие изображения, опираясь на неполные сенсорные данные.
Изображение:
Во время демонстрации мыши иллюзорного контура ученые отслеживали активность ее нейронов с помощью кальциевого сенсора GCaMP6m.
Credit:
Nature Neuroscience (2025). DOI: 10.1038/s41593-025-02055-5 | CC BY
Мозг человека и других животных обладает удивительной способностью «достраивать» картину окружающего мира, даже если сенсорная информация неполная. Такой процесс называют сенсорным выводом (sensory inference): восприятие опирается не только на текущий стимул, но и на внутренние ожидания. Классическим примером служат иллюзорные контуры, такие как треугольник Канижи, когда мы видим геометрическую фигуру, которой в действительности нет. Этот феномен встречается у человека, приматов, мышей, рыб и даже насекомых, что указывает на его фундаментальность. Однако до сих пор оставалось неясным, какие именно нейронные механизмы лежат в основе формирования иллюзорных образов и как организованы цепи в коре головного мозга, поддерживающие этот процесс.
Группа под руководством ученых из Калифорнийского университета в Беркли провела эксперименты на мышах, чтобы определить, как система зрительного восприятия реагирует на изображения с реальными и иллюзорными контурами. Для этого исследователи объедилини многоканальную регистрацию активности с помощью Neuropixels, двухфотонную кальциевую визуализацию и двухфотонную голографическую оптогенетику для стимуляции трехмерных ансамблей нейронов.
Оказалось, что в слоях 2/3 первичной зрительной коры (V1) существует особая подгруппа клеток, которые реагируют не на отдельные сегменты изображения, а на воображаемую линию, возникающую из их комбинации. Эти нейроны авторы назвали кодировщиками иллюзорных контуров или IC-энкодеры (IC-encoders). Их активация была избирательной в отношении пространственной ориентации «несуществующего» контура и не могла быть объяснена простым суммированием входов.
В то время как слой 4 V1, получающий прямой вход от таламуса, «сохранял верность» реальным стимулам, именно слой 2/3 V1 и область LM (латеромедиальная область зрительной коры) показали выраженное кодирование иллюзорных контуров. Это означает, что вычисления сенсорного вывода начинаются уже на относительно низком уровне зрительной иерархии.
Дальнейшие эксперименты показали различие между IC-энкодерами и нейронами, реагирующими на реальные сегменты («segment responders»). Первые кодировали фигуру целиком, вторые — лишь локальные элементы. Подавление активности IC-энкодеров нарушало способность распознавать иллюзорные контуры, однако для распознавания было достаточно только их работы.
Особенно впечатляющими оказались результаты оптогенетических экспериментов. Селективная стимуляция IC-энкодеров в отсутствие внешнего визуального стимула вызывала в сети V1 картину активности, практически неотличимую от реакции на иллюзорный контур. Другими словами, эти клетки запускали механизм дополнения паттерна (pattern completion) в коре, а локальные цепи сами достраивали образ. В отличие от них, активация нейронов ответа на реальный сегмент такого эффекта не давала.
С помощью двухфотонного мезоскопа исследователи проследили, как разные типы клеток участвуют в обработке реальной и кажущейся визуальной информации. Оказалось, что нейроны ответа на реальный сегмент передают информацию на более высокие уровни обработки, тогда как IC-энкодеры работают локально, усиливая сигналы ожидания в пределах V1. Таким образом формируется замкнутый контур: низкоуровневые нейроны получают нисходящие сигналы, а затем распространяют их через локальное дополнение паттерна, обеспечивая целостное восприятие фигуры по ее характерным фрагментам.
Таким образом, восприятие иллюзорных контуров у мышей опирается на особый класс клеток V1 — IC-энкодеры, которые выполняют роль локальных «усилителей» сенсорного вывода. Эти нейроны способны запускать дополнение паттернов и формировать внутреннее представление объекта даже без внешнего стимула. Исследование подтверждает, что рекуррентные связи и локальные механизмы достраивания информации — неотъемлемая часть работы зрительной системы. Более того, результаты перекликаются с выводами из области искусственных нейросетей, где аналогичные рекуррентные архитектуры необходимы для моделирования восприятия иллюзий. Авторы предполагают, что такой механизм может быть универсальным принципом сенсорного вывода и лежать в основе способности мозга распознавать объекты в условиях неполной или искаженной информации.
Источник
Shin H., et. al. Recurrent pattern completion drives the neocortical representation of sensory inference. // Nature Neuroscience (2025), published online 15 September 2025. DOI: 10.1038/s41593-025-02055-5