Ученые объяснили, почему мозг иногда не замечает объекты, находящиеся на виду

Фото из открытых источников

Нейробиологи пришли к выводу, что волны электрической активности, распространяющиеся по мозгу, выполняют работу зрения. Эти распространяющиеся мозговые волны, утверждают авторы, формируют картину мира, которую видит человек. Результаты исследования опубликованы в журнале Neuron.

Это придает давно игнорируемому сигналу центральную роль в восприятии. Это также помогает объяснить, почему объект может находиться на виду и оставаться незамеченным, в зависимости от того, где именно находится волна.

На протяжении десятилетий эти волны казались причудой мозга, находящегося под наркозом. Исследователи в основном предполагали, что они исчезают, как только животное приходит в себя.

Это предположение рухнуло в 2020 году. Тогда Джон Рейнольдс из Института биологических исследований Салка, возглавил группу, которая его опровергла. Его группа зафиксировала волны, проходящие по зрительной коре головного мозга у бодрствующих и работающих животных. Это слой ткани в задней части мозга, отвечающий за зрение.

Это были мартышки, маленькие обезьянки, обученные замечать слабые цели на экране. Волны возникали сами по себе, без каких-либо объектов на экране, которые могли бы их вызвать. Они распространялись со скоростью 0,6 метра в секунду, со скоростью сигнала, передаваемого по голому нервному волокну.

Положение волны в момент появления цели предсказывало, сообщит ли животное о том, что оно её увидело. Это исследование превратило волны из случайной особенности записи в нечто, оказывающее реальное влияние на поведение.

Рейнольдс сказал: «Когда бегущая волна приводит участок зрительной коры в более возбудимое состояние, нейроны в этом участке сильнее реагируют на слабый визуальный объект, и этот объект с гораздо большей вероятностью будет замечен».

Оставался более сложный вопрос. Никто не мог сказать, зачем вообще мозгу создавать эти волны.

Ответ начинается с анатомии. Только около 5% связей, питающих нейрон в зрительной коре, передают сигналы от глаз. Примерно 80% связей образуются посредством горизонтальных соединений. Эти волокна проходят вбок, соединяя нейрон с другими нейронами в том же слое ткани. Большинство из них исходят от клеток, расположенных в небольшом участке поблизости.

Боковые оптоволоконные кабели работают медленно. Сигналу требуется больше времени, чтобы достичь удаленного соседа, чем близкого. Для создания волны достаточно местной проводки и этой задержки. Таким образом, зрительная кора головного мозга — это не столько канал, передающий изображения вверх. Большая часть её нейронных связей взаимодействует сама с собой, и эти сигналы отражают то, как выглядит этот диалог извне.

В более раннем обзоре, проведенном несколькими теми же авторами, были описаны аналогичные закономерности, выходящие далеко за пределы зрительной системы. Новый подход объединяет биологические аспекты и компьютерное моделирование в единое целое. Никто раньше не собирал эти элементы в единую структуру. Он отводит четыре задачи каждому из этих направлений.

Два из них связаны с настоящим моментом. Волны корректируют восприятие от момента к моменту и встраивают недавнюю информацию во внутреннюю картину происходящего. Два других типа волн простираются во времени. Волны генерируют краткосрочные прогнозы о том, что произойдет, и они хранят и воспроизводят последовательности, которые заменяют воспоминания о событиях.

Это утверждение о предсказании уже было проверено в симуляции. В одной из более ранних работ нейронная сеть была построена по типу коры головного мозга, с локальными связями и задержками, которые увеличивались с расстоянием. Вспышка света на входе вызывала волну.

Программное обеспечение, анализировавшее сетевую активность после исчезновения вспышки, могло точно определить, где и когда она появилась. Удаление боковых соединений приводило к тому, что производительность снижалась до случайного уровня. Рандомизация соединений сохраняла временные параметры, но теряла местоположение.

После обучения на коротком видеоролике нейронная сеть сгенерировала остальную часть изображения, используя собственные настройки. Она создала до 100 будущих изображений без дополнительного ввода. Перетасовка соединений и задержки привели к одновременному исчезновению волн и прогноза.

«Новая идея заключается в том, что эти волны сами выполняют вычисления», - пояснил Рейнольдс.

Волны — это лишь половина истории. Сила связей, которые их порождают, меняется в зависимости от использования, и авторы утверждают, что именно там фиксируется информация из внешнего мира. Каждое увиденное и каждое движение слегка затрагивает эти связи. В течение месяцев и лет эта сеть впитывает все, что происходит в окружающем мире.

Объекты сохраняют свою форму в трех измерениях. Изображения скользят по сетчатке при каждом движении. Физика ведет себя так же, как и вчера. Ничего из этого не нужно пересчитывать заново, если нейронные связи уже это предполагают.

«Вы никогда не познаете мир напрямую. Ваш мозг строит внутреннюю модель мира, основанную на опыте, ожиданиях и сенсорных данных», - пояснил Рейнольдс.

Он проводит параллель с крупными языковыми моделями. Эти системы усваивают статистические закономерности текста, а затем создают текст, который им соответствует. Генеративная модель, созданная на основе мозговой ткани, делала бы то же самое со зрением. Она бы управляла миром, а не просто маркировала статичные изображения.

Практический аспект проявляется во всем, что происходит быстро. Подача в высшей лиге преодолевает 18,3 метра примерно за 400 миллисекунд. Предположим, мозгу требуется 150 миллисекунд, чтобы увидеть мяч и определить, куда он направляется. За это время мяч уже пролетел более 6,7 метров.

Бэттер, бьющий по мячу в том месте, где он находится, каждый раз промахнется. Волны, распространяющиеся впереди входящего сигнала, предлагают один из возможных способов сократить этот разрыв. Ученые описывали эти волны на протяжении десятилетий. Однако их функция оставалась предметом споров большую часть этого времени. В этом обзоре представлено подробное описание того, что они вычисляют и как это делает соответствующая схема.

Это дает разработчикам моделей что-то конкретное для проверки. В моделях зрения долгое время клетки мозга рассматривались как фиксированные детекторы, каждый из которых ожидает появления своей собственной особенности. В волновой динамике же боковые связи находятся в центре. Кроме того, такие модели содержат проверяемые предсказания о скорости волн и их пространственном распространении.

Авторы сосредоточились на зрении, потому что это наиболее изученное чувство. Аналогичные нейронные связи проходят и по остальной внешней оболочке мозга.

«Один из главных выводов обзора заключается в том, что динамика бегущих волн не ограничивается какой-либо одной областью или функцией мозга», - пояснил Рейнольдс.

Аналогичная активность наблюдается в областях, отвечающих за движение, планирование и память. Следующий тест будет прямым. Теперь исследователи могут попытаться нарушить определенные волновые паттерны у бодрствующих животных и людей, а затем понаблюдать за тем, что произойдет с восприятием.