Мозг использует одни и те же клетки для зрения и воображения

Фото из открытых источников

Согласно новым исследованиям, при одновременном рассматривании объекта и последующем его представлении активируются многие из одних и тех же клеток мозга. Пересечение между зрением и воображением придает мысленным образам более прочную биологическую основу и помогает объяснить, почему воспоминания, произведения искусства и навязчивые видения могут казаться такими реальными. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

В отделениях для больных эпилепсией в больницах 16 взрослых сначала просмотрели сотни изображений, а затем по памяти вспомнили некоторые из них. На основе этих записей Уэли Рутишаузер из Университета медицинских наук Седарс-Синай обнаружил, что многие клетки, реагирувшие на зрительное восприятие, снова активировались при визуальном восприятии.

Такое воспроизведение происходило не во всей зрительной системе, но было достаточно сильным, чтобы показать, что запомненные объекты повторно используют часть одного и того же нейронного паттерна. Точный механизм, запускающий эту закономерность, остается невыясненным, что порождает следующий вопрос, касающийся полученных результатов.

В глубине вентральной височной коры, зрительной области, отвечающей за сортировку сложных объектов, 456 из 714 зарегистрированных нейронов избирательно реагировали на появившиеся объекты. Многие из этих нейронов располагались в веретенообразной извилине, складке головного мозга, играющей важную роль в распознавании лиц.

Более ранние исследования с использованием сканирования мозга предполагали частичное совпадение между зрительным и образным восприятием, но эти методы не могли доказать участие одних и тех же клеток. Запись активности отдельных нейронов изменила это представление, показав не только окрестности, но и конкретные клетки, где встречаются восприятие и воображение.

Примерно 80 процентов нейронов, реагирующих на зрительную информацию, следовали правилу, уже наблюдавшемуся в коре головного мозга приматов. На многих изображениях этот паттерн сформировал нейронный код — повторяющийся паттерн активации нейронов, несущий информацию.

«Наше исследование выявило код, который мы используем для воссоздания изображений», — сказал Уэли Рутишаузер, нейробиолог из медицинского центра Седарс-Синай.

После того как эта закономерность будет установлена, исследование сможет проверить, восстанавливает ли память тот же самый дизайн или создает другой.

Используя реакции множества клеток одновременно, исследователи с поразительной точностью восстановили видимые объекты, основываясь исключительно на активности мозга. В 487 из 500 случаев расшифрованный шаблон оказался ближе, чем случайное совпадение, к правильному изображению среди множества альтернатив.

Искусственный интеллект помог, преобразовав изображения в числовые описания, а затем сгенерировав новые изображения, которые сильнее нагружали выбранные нейроны. Эти тесты имели значение, потому что правильная догадка по ранее не виденным изображениям указывала на то, что код был настоящим, а не являлся особенностью какой-либо одной задачи.

Позже шесть участников представили себе небольшой набор картинок после их просмотра, что позволило команде сравнить результаты просмотра с результатами запоминания. Примерно 40 процентов, или 43 из 107 нейронов, настроенных на определенные изображения, активировались повторно в соответствии с исходным паттерном.

Рутишаузер заявил, что результат показал, что визуализация работает за счет повторной активации клеток, впервые использованных при реальном зрении. Некоторые клетки реагировали только на зрительное восприятие или только на изображения, что свидетельствует о существовании частичного совпадения без полного сходства.

Использование единого кода не сделало два штата идентичными, поскольку у населения в целом всё ещё было достаточно признаков, позволяющих их различить. В ходе исследования 231 нейрона средняя частота импульсов во время восприятия и воображения выглядела схожей, однако компьютерные тесты все же позволяли различать эти состояния.

Даже один случайно выбранный нейрон давал ответы с точностью выше случайной, а после примерно 100 нейронов точность перестала значительно улучшаться. Таким образом, мозг может повторно использовать сенсорный код, одновременно указывая, было ли изображение получено от глаз или из памяти.

Повторно использованный код выглядел преимущественно визуальным, а не вербальным или смысловым, что сужало круг того, что именно возрождало воображение. Модели, основанные на характеристиках изображений, объясняли работу нейронов лучше, чем модели, построенные на основе значений слов или категорийных меток.

Этот код также соответствует ощущению мысленных образов, которые часто возникают в виде форм, текстур и расположений еще до того, как язык программирования успевает за этим процессом. Поскольку в этой работе измерялись отдельные клетки, она связала этот повседневный опыт с конкретным биологическим процессом, а не с метафорой.

Эти результаты позволяют лучше понять биологию визуального воображения, что может помочь объяснить как процесс создания креативных образов, так и нежелательные навязчивые сцены. Исследователи описывают эту систему воспроизведения как генеративную модель, нейронный процесс, способный создавать детальное сенсорное содержание на основе памяти.

Врачи уже знают, что посттравматическое стрессовое расстройство может сопровождаться яркими, непроизвольными мысленными образами, что делает этот механизм актуальным с медицинской точки зрения. Для разработки методов лечения потребуется гораздо больше доказательств, но клеточная мишень предлагает более четкий ориентир, чем одни лишь симптомы.

Одна важная загадка остается неразгаданной, поскольку в ходе исследования не удалось точно определить, какой сигнал дает этим зрительным клеткам команду на перезапуск. В качестве возможных источников можно привести гиппокамп, глубокий центр памяти, отвечающий за хранение опыта, и лобные области, отвечающие за воспроизведение информации.

Еще одним ограничением исследования стали сами добровольцы, поскольку все они страдали эпилепсией, и большинство из них сообщали о сильных зрительных образах. Эти ограничения оставляют место для дальнейшей работы с людьми, страдающими от слабо развитой зрительной памяти, галлюцинаций или расстройств, которые размывают границы между воображением и реальностью.

Демонстрируя, что воображение задействует многие из тех же клеточных механизмов, которые используются при зрении, эта работа делает мысленные образы более измеримыми. Более четкая карта может помочь в разработке будущих методов лечения и инструментов, вдохновленных работой мозга, но она также показывает, насколько тонка грань между реальностью и воображением.