Крошечная структура мозга предвосхищает то, что мы собираемся увидеть или почувствовать, согласно исследованию

Человеческий мозг постоянно получает информацию об окружающем мире через зрение, осязание, слух и другие органы чувств. Влиятельные теории в нейронауке и психологии предполагают, что мозг также предвосхищает поступающую сенсорную информацию, готовясь обрабатывать то, что мы вероятно увидим или почувствуем в конкретных ситуациях.

Исследователи из Массачусетского технологического института, Северо-восточного университета, Массачусетской больницы общего профиля и других учреждений недавно провели исследование, посвящённое возможной роли верхнего холмика, небольшой структуры в среднем мозге, в предсказании предстоящих сенсорных событий.

Их выводы, опубликованные в Nature Neuroscience, указывают на то, что верхний холмик не только реагирует на поступающую сенсорную информацию, но также предвосхищает предстоящие сенсорные события.

"Этот проект вырос из более широкой идеи в нейронауке, называемой предиктивной обработкой: мозг не просто ждёт сенсорного входа и реагирует на него, он постоянно предсказывает, что вот-вот произойдёт, и готовится к этому", — сказала первый автор статьи Данлей Чэнь в интервью Medical Xpress. "Это важно, потому что реагирование постфактум обходится дорого, как по энергии, так и по времени."

Подготовка к предстоящим событиям может позволить мозгу реагировать быстрее и использовать доступные ресурсы более эффективно. Чэнь и её коллеги выдвинули гипотезу о том, что верхний холмик может быть вовлечён в предвосхищение сенсорных событий, и решили проверить эту идею.

"Верхний холмик — одна из наиболее хорошо изученных структур ствола мозга, отчасти потому, что она очень выступающая в мозге животных, и десятилетия исследований на животных показали, что его анатомические слои обрабатывают разные чувства и функции: зрение, осязание и ориентацию глаз и тела", — сказала Чэнь.

"У людей мы знаем намного меньше об этом, потому что это малая и глубоко расположенная структура в мозге, что затрудняет её чёткую визуализацию при помощи стандартного неинвазивного визуализирования.

"Мы хотели ответить на два вопроса. Во-первых, организован ли человеческий верхний холмик так, как предполагают исследования на животных, с зрением, сконцентрированным в его верхних слоях, и осязанием в его более глубоких слоях? Во-вторых, как он реагирует перед поступлением сенсорного стимула, когда этот стимул ожидается?"

Для изучения возможной роли верхнего холмика в предвосхищении сенсорных событий Чэнь и её коллеги провели эксперимент с участием 80 взрослых добровольцев. Во время этого эксперимента они показывали картинки половине участников и прикладывали давление на левый большой палец другой половины, одновременно регистрируя активность мозга с помощью передовой техники визуализирования.

"Мы использовали ультравысокопольную 7-тесловую функциональную магнитно-резонансную томографию, которая обеспечила нам примерно 1 мм разрешение (в сравнении со стандартным 2–3 мм разрешением от 3-тесловой функциональной МРТ)", — объяснила Чэнь.

"Такой уровень детализации необходим для сравнения слоёв в структуре размером всего около 6 мм с каждой стороны. Мы сканировали участников во время задачи, в которой половина из них получала зрительную стимуляцию (картинки), а другая половина получала соматосенсорную стимуляцию (давление на большой палец)."

Перед тем как участникам показали изображение или они почувствовали давление на большой палец, они прошли краткий этап, на котором они либо выбирали форму, либо форма выбиралась для них компьютером. Поскольку то, что видели участники, и то, что они делали в течение этого периода, было одинаковым в обеих группах, исследователи смогли проверить, предвосхищал ли их мозг уже предстоящую картинку или прикосновение.

"Мы предприняли осторожные шаги, чтобы убедиться, что сигнал верхнего холмика, который мы измеряли, был хорошо отделён от его соседних структур", — сказала Чэнь. "Мы отобразили каждую его часть по глубине, чтобы разделить его слои, и использовали статистические методы и машинное обучение для тестирования его ответов как во время стимуляции, так и в моменты перед ней."

Предыдущие исследования на нечеловеческих приматах показали, что нейроны верхнего холмика становятся активными перед движением глаз, когда животное готовится посмотреть в направлении ожидаемой цели. Новые выводы предполагают, что у людей верхний холмик также предвосхищает поступающий сенсорный ввод и то, через какой орган чувств он поступит.

"Картинки вызывали больше активности в поверхностных слоях верхнего холмика, тогда как прикосновение вызывало больше активности в более глубоких слоях", — объяснила Чэнь. "Что ещё более важно, одна и та же закономерность, специфичная для слоёв, проявлялась даже перед поступлением стимула, когда люди только предвосхищали картинку или прикосновение."

В ходе своего исследования исследователи также обучили классификатор машинного обучения, алгоритм, который учится распознавать закономерности в данных, различать активность верхнего холмика при просмотре картинок от активности при давлении на палец. Эта модель выявила похожие паттерны активности мозга перед стимуляцией органов чувств участников.

Команда обнаружила, что активность в человеческом верхнем холмике при предвосхищении ощущения и его переживании показывала похожие паттерны по всем его слоям. Подобный паттерн также наблюдался в двух областях таламуса, большой структуре в форме яйца глубоко в мозге.

Эти две области, известные как сенсорные ядра, известны своим участием в обработке зрительных и тактильных стимулов соответственно. Оба этих ядра показывали предиктивные сигналы, соответствующие типу стимуляции, которую предвосхищали участники.

"Мы обычно думаем о предсказании как о высокоуровневой функции, которая происходит в коре головного мозга и обрабатывает более сложные задачи", — сказала Чэнь.

"Наши результаты предполагают, что более глубокие структуры мозга, которые передают сенсорную информацию в кору для дальнейшей обработки, также являются частью более широкой, охватывающей весь мозг сети, которая готовится к предстоящему. Это предполагает, что предсказание — это не то, что кора добавляет на сенсорную обработку. Оно встроено по всему мозгу, что имеет смысл для функции столь центральной для выживания."

Результаты этого исследования дают новое понимание возможной роли человеческого ствола мозга, трубковидной структуры, которая соединяет мозг со спинным мозгом, в предсказании сенсорных стимулов. Ствол мозга — это эволюционно древняя часть мозга с базовой организацией, которая сохранена у всех позвоночных (животных с позвоночником).

"Наши выводы говорят нам, что при помощи передовых методов нейровизуализирования и анализа в человеческом мозге есть ещё много интересного для исследования", — сказала Чэнь.

"В какой степени наше понимание мозга было ограничено разрешением, которое мы можем достичь? Был ли фокус области на коре головного мозга, на самой крупной части человеческого мозга и той, которая предположительно обрабатывает высокоуровневую обработку, отчасти побочным продуктом теоретических предположений и методологических ограничений?"

Чэнь и её коллеги в настоящее время планируют дополнительные исследования, направленные на ответ на некоторые из этих вопросов. Кроме того, они планируют дальнейшее изучение вклада верхнего холмика и других малых структур мозга в обработку сенсорных стимулов, когнитивный контроль, эмоции и различные другие функции.

"Верхний холмик — это особенно увлекательная структура, так как он отображает как сенсорные переживания, так и двигательные команды, что даёт ему возможность способствовать множеству функций, которые мы в основном приписывали коре", — добавила Чэнь.

"В настоящее время мы работаем над пониманием его роли в рабочей памяти, так как удержание информации в уме и её использование для направления действия — это, в сущности, связь между тем, что мы ощущаем, и тем, что мы делаем, что именно то, для чего построен верхний холмик. Мы надеемся, что эта работа поможет расширить технические границы человеческого нейровизуализирования и даст нам более полное представление о возможностях всего мозга."