Путешествующие волны в мозге могут участвовать в формировании восприятия и памяти

Фото из открытых источников

Электрические волны, распространяющиеся по поверхности мозга, могут участвовать в том, как нервная система определяет значимые сенсорные сигналы, формирует восприятие, делает краткосрочные прогнозы и использует недавний опыт. К такому выводу пришли нейроучёные Института Солка, объединив данные физиологических исследований с вычислительной моделью работы нейронных сетей. Результаты работы опубликованы в журнале Neuron.

Речь идёт о так называемых путешествующих мозговых волнах — паттернах электрической активности, которые перемещаются по нейронным цепям. Они могут возникать под воздействием сигналов из окружающей среды или формироваться в результате активности самого мозга. Исследователи считают, что такие волны в зрительной коре способны выполнять не только роль фоновой электрической активности, но и участвовать в вычислительных процессах, связанных с восприятием и памятью.

Волны связали с тем, что мозг замечает

Нейроучёный Института Солка Джон Рейнольдс впервые выявил путешествующие мозговые волны в зрительных системах бодрствующих животных в 2020 году. Его лаборатория впоследствии обнаружила связь между этими волнами и тем, замечало ли животное визуальный объект, находившийся перед ним. Результаты дали исследователям основание рассматривать распространение нейронной активности как возможную часть механизма, определяющего восприятие.

Такой механизм может иметь отношение к ситуации, когда человек ищет предмет, который находится в поле его зрения, но не замечает его. Объект физически присутствует, однако соответствующий сенсорный сигнал не обязательно сразу становится частью восприятия. Исследования, проведённые группой Рейнольдса, показали, что состояние путешествующих волн может быть связано с тем, будет ли визуальный стимул замечен.

После этих наблюдений перед исследователями возник вопрос о функции самих волн. В новом обзоре авторы попытались объединить результаты предыдущих экспериментов с вычислительным объяснением того, какие операции может выполнять распространяющаяся активность в нейронной сети.

«В этой статье впервые в единой интегрированной структуре изложено, что мозг действительно может вычислить, имея эту рекуррентную волновую цепь», — говорит Джон Рейнольдс, старший соавтор статьи.

Четыре возможные функции нейронных волн

Исследователи выделили четыре возможные функции путешествующих волн в зрительной коре. По их модели, они могут помогать корректировать восприятие от одного момента к другому, преобразовывать недавно полученную сенсорную информацию во внутреннее представление, поддерживать краткосрочные прогнозы и сохранять либо воспроизводить закономерности, связанные с воспоминаниями о событиях, которые происходят во времени.

Такой подход отличается от представления о нейронных волнах как о случайном или второстепенном электрическом шуме. Авторы предполагают, что связи, участвующие в создании и распространении волн, способны изменяться под воздействием опыта. Физиологические изменения синапсов позволяют нейронным сетям сохранять информацию о закономерностях, с которыми организм сталкивался раньше.

Каждое зрительное, слуховое или обонятельное ощущение, а также действия животного могут менять состояние связанных с этими процессами нейронных соединений. Со временем накопленные изменения формируют структуру сети, которую мозг может использовать при обработке новых сигналов. В предложенной модели именно эта связь между опытом и изменениями нейронных цепей имеет значение для формирования внутреннего представления окружающей среды.

Как мозг использует прошлый опыт

Сенсорная информация постоянно меняется. Изображение на сетчатке зависит от движения глаз и тела, положения объекта и других условий. При этом окружающий мир сохраняет множество устойчивых закономерностей: предметы существуют в трёхмерном пространстве, их положение меняется по определённым правилам, а получаемые органами чувств сигналы ограничены особенностями физики и физиологии.

Согласно предложенной исследователями концепции, мозг может постепенно усваивать повторяющиеся характеристики окружающей среды и сохранять их в синаптических связях. Эти связи затем способны участвовать в генерации путешествующих волн. Распространяющаяся активность может использовать накопленную информацию, помогая определить наиболее вероятные причины нового сенсорного сигнала.

В таком случае текущий сигнал обрабатывается не изолированно. Мозг сопоставляет поступающую информацию с уже сформированными закономерностями и использует их для построения внутреннего представления происходящего. Это, по мнению авторов, может объяснять, каким образом нервная система превращает постоянно меняющийся поток сенсорных данных в относительно последовательное восприятие.

Сходство с генеративными моделями

Джон Рейнольдс сравнил предложенный механизм с принципом работы крупных языковых моделей. По его словам, такие системы изучают статистические закономерности языка и затем используют их для формирования текста. В мозге, считает исследователь, может существовать функционально похожий механизм, который строит внутреннюю модель окружающего мира на основе накопленного опыта.

«В значимом смысле это аналогично тому, что делают крупные языковые модели, такие как ChatGPT. Они изучают статистическую структуру из языка и используют эти знания для создания значимого и правильно структурированного текста, отражающего языковые паттерны. Мозг может выполнять нечто похожее по функционалу — биологическую генеративную модель, построенную с нуля на основе опыта», — объясняет Рейнольдс.

Авторы применяют предложенную модель прежде всего к зрительной коре. При этом они рассматривают возможность того, что похожий принцип может использоваться и в других областях мозга. В их интерпретации путешествующие волны связывают текущую сенсорную информацию с изменениями нейронных связей, возникшими в результате предыдущего опыта.