Увиденное несколько секунд назад может повлиять на наше следующее решение

Фото из открытых источников

Недавно обнаруженная нейронная сеть головного мозга сравнивает то, что мы видим сейчас, с тем, что мы видели несколько мгновений назад, помогая определить, останемся ли мы при своем решении или изменим его. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.

Вы заходите на кухню и сразу понимаете, что что-то пошевелилось. Это не результат самостоятельного восприятия глазами. Мозг сохраняет версию комнаты, которую он видел минуту назад, и сопоставляет новую версию с ней.

Исследователи из Массачусетского технологического института теперь установили, что ключевой элемент этого сравнения связан с соединением между двумя отделами мозга. У мышей структура, расположенная глубоко в голове, постоянно посылает в переднюю часть мозга информацию о том, насколько изменилась обстановка. Передняя часть мозга использует этот отчет, чтобы решить, придерживаться ли последнего ответа или переключиться на другой.

«Эта схема организует сравнение того, что только что произошло, с тем, что происходит сейчас в сенсорном мире, таким образом, что это можно использовать для принятия мер», — сказал ведущий автор исследования профессор Мриганка Сур из Института Пиковера по изучению обучения и памяти при Массачусетском технологическом институте.

Рассматриваемая структура расположена в той части мозга, которая передает большую часть сенсорной информации в кору головного мозга. Анатомы называют эту часть таламусом. Один из его участков у человека называется подушковидным ядром (пульвинаром), а у мышей имеется соответствующая структура.

Исследователи десятилетиями изучали этот участок кожи как фильтр внимания: на что следует обращать внимание, а что игнорировать. Команда Сура задала другой вопрос. Если подушковидное ядро головного мозга уже взаимодействует с той частью лобной коры, которая взвешивает доказательства и выбирает действие, возможно, оно передает дальше лишь сравнение.

«Мозг не оценивает каждое новое событие с нуля», — говорит соавтор исследования Нин Леоу. «Традиционно подушковидное ядро головного мозга изучали с точки зрения его роли во внимании и фильтрации визуальной информации, но мы обнаружили, что оно также важно для сравнения текущей информации с недавним прошлым и для выявления значимых изменений, влияющих на то, сохраняем ли мы или обновляем принятое решение».

В качестве эксперимента использовалась видеоигра для мышей. Точки перемещались по экрану, некоторые из них двигались вместе, влево или вправо, и мышь, которая лизнула правильный носик, получала воду. 

Неудачный финт вызвал всплеск белого шума и мигание экрана. Двадцать четыре мыши этому научились. Команда варьировала степень очевидности движения: от 16% точек, движущихся вместе, до каждой из них. Некоторые испытания были простыми, а некоторые почти сводились к угадыванию.

Чтобы начать эксперимент, мышь должна была пробежать по беговой дорожке в течение секунды, воздерживаясь от облизывания. Затем исследователи подсчитали промежуток между одним экспериментом и следующим. Когда результаты двух последовательных испытаний были одинаковыми, мышь, которая только что дала правильный ответ, почти всегда снова давала тот же самый ответ. Когда они выглядели совершенно по-разному, обычно происходило переключение. После неправильного ответа мыши делали наоборот.

Наблюдение за тем, как животное повторяет действия, не доказывает, какая именно часть мозга осуществляла сравнение. Поэтому команда исследователей ввела светочувствительный белок в клетки подушковидного ядра таламуса, которые достигают лобной коры, а затем, во время экспериментов на мышах, направляла на эти окончания световой импульс.

Стимуляция левой стороны снижала вероятность того, что мыши ответят, что точки движутся вправо. Стимуляция правой стороны давала противоположный эффект. В обоих случаях величина колебаний отражала, насколько текущий эксперимент отличался от предыдущего. Сигнал, который просто смещал курсор мыши в одну сторону, одинаково повлиял бы на результаты всех испытаний. В этом случае этого не произошло.

«Это показало, что данный механизм причинно-следственно связан с процессом сравнения, который влияет на интерпретацию имеющихся данных, а не просто передает информацию», — сказал Леоу.

Команда сузила круг поиска еще дважды. Освещение с обеих сторон одновременно устранило предвзятость, а освещение во время паузы между испытаниями практически ничего не изменило.

Чтобы понять, что именно передает эта связь, исследователи наблюдали за ее работой. С помощью микроскопа отслеживали 1035 окончаний подушковидного ядра в лобной коре головного мозга, пока мыши играли в игру, а также 126 нейронов в области, принимающей игру.

В заключительных сообщениях сообщалось о визуальных доказательствах. Их активность указывала на направление движения и его интенсивность. Это позволяло еще больше различать различные точечные изображения, когда текущее испытание резко отличалось от предыдущего.

Однако система не отслеживала, в какую сторону мышь будет облизывать кожу. Нейроны, получившие сигнал, действовали в обратном порядке. Их активность предсказывала выбор, который собиралась сделать мышь.

«Похоже, что подушковидное ядро головного мозга само по себе не принимает решения, — сказал Леоу. — Вместо этого оно отправляет это связанное с историей сенсорное сравнение в лобную кору».

Чтобы выяснить, почему односторонний свет вообще оказывает влияние на животное, команда совместно с соавтором Мехрдадом Джазаери из Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте создала симуляцию электрической цепи. В этой картине два полушария соревнуются за ответ, поэтому свет только с одной стороны нарушает их равновесие, а свет с обеих сторон взаимно компенсируется.

Сур отметил, что эта работа может быть применена и в исследованиях аутизма, где различия в том, как мозг использует предыдущий опыт для интерпретации поступающей информации, рассматриваются как одна из составляющих этого состояния.

Всё это происходило на мышах с зафиксированной головой, наблюдавших за точками, и мышиный вариант подушковидного ядра таламуса является эквивалентом человеческого у грызунов, а не тем же самым участком ткани.

Остается неясным, как именно лобная кора головного мозга преобразует это сравнение в действие. Окончания импульсов подушковидного ядра поступают в основном в верхний слой коры головного мозга, наряду с другими входными сигналами, несущими контекст, и команда исследователей не проверяла, какие именно клетки там их считывают.

Исследователи пока не могут сказать, приводит ли это сравнение к лучшим решениям или просто отражает особенности схемы.

Чтобы это выяснить, команде нужно будет повторить задание в условиях, когда недавняя история плохо отражает реальное положение дел, и посмотреть, продолжает ли эта схема оказывать такое же влияние на мышей.