Зрачки расширяются, когда мозг сталкивается с чем-то неожиданным

Фото из открытых источников

Неожиданные события не только привлекают внимание. Они могут заставить мозг ослабить хватку старых ожиданий, усвоить новую информацию и решить, действительно ли изменилась окружающая ситуация. Новый эксперимент предполагает, что кратковременные всплески физической активности помогают справиться с этой психологической адаптацией. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Human Behaviour.

Эти изменения наблюдались в размере зрачков и электрической активности мозга участников, когда цвета на экране не соответствовали тому, что они ожидали увидеть.

Мозг постоянно использует прошлый опыт, чтобы предсказывать, что произойдет дальше. Эти ожидания могут повысить точность восприятия в условиях стабильного мира, поскольку они помогают восполнить неопределенную или неполную информацию.

Проблемы с ожиданиями также могут возникнуть при изменении обстоятельств. Человек может продолжать интерпретировать новую информацию, опираясь на устаревшее убеждение, даже если доказательства больше не соответствуют действительности. Таким образом, мозг постоянно сталкивается с проблемой. Он должен использовать прошлый опыт, не позволяя ему вытеснить важные новые детали.

«Расширение зрачков сигнализирует о резком повышении уровня возбуждения, и наши результаты подтверждают идею о том, что эти быстрые колебания уровня возбуждения оказывают полезное воздействие на мозг», — сказал соавтор исследования Мэтт Нассар из Брауновского университета. «Они позволяют нам справляться с миром, который часто меняется от одного контекста к другому».

Возбуждение — это временное повышение бдительности, а не только эмоциональное возбуждение. Оно может включать изменения внимания, сердечной активности, размера зрачков и высвобождение химических веществ в головном мозге.

Исследовательская группа сосредоточила внимание на небольшом участке мозга, называемом голубым ядром. Эта область является основным источником норадреналина, химического вещества, участвующего в поддержании бдительности, внимания и реакции организма на важные события.

Неожиданные события часто активируют эту систему. Они также вызывают расширение зрачков и появление узнаваемых паттернов на электроэнцефалограмме (ЭЭГ), которая регистрирует электрическую активность с помощью датчиков, размещенных на коже головы. Однако расширение зрачков и изменения на ЭЭГ не измеряют активность голубого ядра напрямую. Вместо этого они выступают в качестве косвенных признаков более широких изменений в мозговой активности.

В эксперименте приняли участие 63 здоровых взрослых человека в возрасте от 18 до 40 лет. Все участники предоставили результаты поведенческих исследований, при этом у 60 были пригодные для анализа измерения зрачков, а у 57 — пригодные для анализа записи ЭЭГ. В каждом испытании участники на короткое время видели два цветных квадрата. Затем они воспроизводили каждый цвет по памяти и предсказывали, какие цвета появятся в следующем испытании.

Задание включало два разных типа неожиданных событий. В одном из условий неожиданный цвет сигнализировал о долговременном изменении, то есть будущие цвета, вероятно, будут следовать новой схеме. В другом случае необычный цвет был случайным исключением, кратковременным явлением, не означавшим устойчивых изменений. После этого сохранялась обычная цветовая гамма.

«Мы хотели зафиксировать феномен, связанный с двумя основными идеями о том, как система возбуждения влияет на поведение», — сказал соавтор исследования Харрисон Марбл. «Одно из них связано с обучением, а другое — с искажением восприятия».

Зрачки участников расширялись сильнее после появления цветов, которые явно указывали на изменение или необычное событие. Наиболее выраженное различие наблюдалось примерно через 1,5–4 секунды после появления цветов. Неожиданные цвета также вызвали изменения в нескольких сигналах ЭЭГ. Один из ранних сигналов, называемый P3a, появился примерно через 450 миллисекунд после события и показал наиболее четкую связь с предсказанным изменением мышления.

P3a — это кратковременный паттерн электрической активности, связанный с вниманием к чему-то новому или неожиданному. Более поздний сигнал, называемый P3b, не показал такой же надежной связи со сдвигами, исследованными в этом эксперименте. В совокупности результаты исследования зрачков и ЭЭГ позволяют предположить, что удивление было связано с быстрым изменением уровня бодрствования. Такая реакция может помочь мозгу распознать необходимость обновления текущего понимания ситуации.

Задание также показало, как ожидания влияли на то, что участники запоминали. Когда цвета следовали знакомой схеме, воспроизведение цветов участниками склонялось к тем цветам, которые они предсказывали. Такое смещение часто оказывалось полезным, поскольку прогнозы повышали общую точность, когда закономерность оставалась надежной.

Однако участники меньше полагались на эти ожидания, когда цвет явно указывал на изменение ситуации. Более выраженная реакция зрачков и более сильные признаки бодрствования на ЭЭГ были связаны с меньшей предвзятостью в отношении предыдущих прогнозов.

Проще говоря, участники, по-видимому, были более склонны принять неожиданный цвет таким, какой он есть, а не изменять его, чтобы он соответствовал их ожиданиям.

«Мозг сохраняет определенный ментальный контекст, а затем, когда он понимает, что вы оказались в новой ситуации, вы заменяете этот контекст», — сказал Нассар. «Изменения диаметра зрачка, а также определенные показатели ЭЭГ являются внешними маркерами, свидетельствующими о том, что мозг усваивает новый контекст. Это позволяет ограничить влияние предыдущего контекста на восприятие и создать чистый лист, не обремененный прежними ожиданиями, что, в свою очередь, способствует более быстрому обучению».

Реакция повышенной бдительности не просто заставляла участников больше учиться на каждом сюрпризе. Ее связь с обучением зависела от того, что означал необычный цвет. Когда неожиданный цвет сигнализировал о устойчивых изменениях, более сильные реакции зрачков и ЭЭГ были связаны с более значительными корректировками последующих прогнозов. Участники восприняли это событие как полезное свидетельство того, что произойдет дальше. Когда цвет был лишь необычным, более сильная реакция была связана с небольшими изменениями.

Участники, по-видимому, воспринимали это событие как временное исключение и не позволяли ему искажать будущие ожидания. Это различие имеет значение, потому что эффективное обучение требует большего, чем просто бурная реакция на новую информацию. Мозг должен решить, выявляет ли событие новую закономерность или представляет собой кратковременное отклонение от привычной.

В ходе эксперимента была выявлена тесная взаимосвязь между удивлением, физической активностью, восприятием и обучением. Однако не было доказано, что расширение зрачков или измеренная активность ЭЭГ вызывали изменения в поведении. Также команда не зафиксировала активность самого голубого ядра. Размер зрачка может отражать работу нескольких химических систем мозга, поэтому норадреналин остается скорее вероятным объяснением, чем подтвержденной причиной.

Выборка была ограничена 63 участниками, преимущественно молодыми людьми, выполнявшими контролируемое задание на распознавание цвета. В будущих исследованиях необходимо проверить, работает ли этот процесс в разных возрастных группах и в более сложных реальных ситуациях. Даже с учетом этих ограничений, результаты дают полезное представление о том, как мозг может находить баланс между стабильностью и гибкостью. Кратковременные всплески бдительности, по-видимому, указывают на моменты, когда старые ожидания должны иметь меньший вес, а новая информация заслуживает более пристального внимания.