Nature: мозг создает структурированную карту эмоций

Фото из открытых источников

В психологии хорошо известно, что люди воспринимают эмоции по таким признакам, как валентность (степень приятности или неприятности) и возбуждение (интенсивность телесных реакций, таких как учащенное дыхание или сердцебиение).

Если представить «приятность» как долготу, а «телесную реакцию» как широту, то можно вообразить «ментальную карту», узлы которой «отображают» знания об эмоциях.

Однако нейронные механизмы, приводящие к такой конфигурации, до сих пор остаются неясными.

Новое исследование показывает, что гиппокампально-префронтальные нейронные цепи — структуры, участвующие в формировании других типов когнитивных карт, — могут поддерживать ментальное картирование эмоций.

В журнале Nature Communications было опубликовано исследование нейробиологов из Университета Эмори. Результаты показали, что гиппокамп представляет концепции эмоций в структурированной иерархии «узлов» приятности и телесной реакции, в то время как вентромедиальная префронтальная кора более точно отслеживает взаимосвязи между этими различными узлами, или то, как они распределены на ментальной карте.

Выявление нейронных механизмов, которые формируют подобные картоподобные представления, в конечном итоге может помочь в лечении некоторых психических заболеваний, говорит соавтор исследования профессор Филип Крагель из Университета Эмори.

«Исследования показали, что люди, страдающие депрессией и тревожностью, выражают эмоции более сжато и менее дифференцированно», — объясняет он. «И что люди, которые выражают эмоции с большей детализацией и дифференциацией, как правило, имеют лучшие показатели здоровья».

В данной работе объединены данные нейровизуализации человеческого мозга, распознавание образов и моделирование с использованием нейронных сетей искусственного интеллекта.

«Эмоциональные переживания людей субъективны, — говорит соавтор исследования Юмэн Ма из Университета Эмори. — Мы используем технологии, чтобы объективно и научно понять механизмы, лежащие в основе эмоций».

«Эмоции играют центральную роль в человеческом опыте, это не просто реакции на происходящее, — говорит Крагель. — Они важны для нашего успеха и благополучия. Они помогают нам лучше общаться, учиться на собственном опыте и сопереживать другим».

И все же, добавляет он, эмоции, как известно, было крайне сложно изучать с научной точки зрения.

Крагель — ведущий специалист в разработке вычислительных методов для изучения природы эмоций. Его лаборатория когнитивных и вычислительных исследований эмоций (ECCO Lab) работает на стыке психологии, когнитивной нейронауки и машинного обучения. Нейронные сети искусственного интеллекта, смоделированные по образцу человеческого мозга, являются одним из инструментов, используемых в лаборатории.

Подобно человеческому мозгу, искусственная нейронная сеть должна свести сложные данные к их сути, процесс, известный как «встраивание», чтобы огромные объемы знаний могли храниться организованным и эффективным образом.

«В этой статье мы хотели исследовать, как человеческий мозг сжимает эмоциональные переживания, — говорит Крагель. — Как мы можем закрепить эти очень сложные события? Какие нейронные сигналы имеют отношение к делу?»

Исследователи начали с использования мультимодального набора данных Emo-FiLM (Emotion Research Using Films and fMRI), компонента OpenNeuro, бесплатной и открытой платформы для проверки и обмена нейробиологическими данными.

Набор данных Emo-FilM включает оценки различных эмоций, данные участниками во время просмотра коротких, эмоционально насыщенных видеороликов. Эти человеческие оценки эмоционального опыта и соответствующие данные сканирования мозговой активности можно сопоставлять друг с другом, чтобы сократить разрыв между теорией в психологии и эмпирической нейробиологией. Набор данных настроен на понимание лежащих в основе эмоциональных процессов, а не индивидуальных различий.

Исследователи разработали прогностические модели для анализа этого набора данных и обнаружили, как и ожидалось, что данные самоотчета об эмоциональном опыте можно расшифровать по паттернам активности гиппокампа и префронтальной коры головного мозга, полученным с помощью фМРТ.

Гиппокамп — это структура в височной доле, имеющая форму морского конька, которая помогает систематизировать опыт и формировать воспоминания, связывая информацию из разных отделов мозга. Вентромедиальная префронтальная кора, или vmPFC, — это область мозга в лобной доле, участвующая в оценке информации о целях, социальных сигналах и результатах, помогающая людям принимать решения и оценивать риски и выгоды.

Анализ результатов прогностических моделей показал, что эти системы головного мозга содержат информацию, соответствующую картообразному представлению.

«Например, — объясняет Ма, — приступы гнева и страха часто возникают чаще, чем приступы радости и возбуждения».

Исследователи проверили способность модели предсказывать как категории эмоций, так и взаимосвязи между ними. Результаты показали, что больше информации о категориях эмоций содержится в гиппокампе, а больше информации о взаимосвязях — в вентромедиальной префронтальной коре.

Они дополнительно исследовали свою модель, используя искусственную нейронную сеть, известную как машина Толмана-Эйхенбаума, или TEM, которая служит вычислительной моделью реляционной памяти в мозге.

Сначала исследователи создали искусственную среду, представленную в виде абстрактного графа, на основе оценок категорий эмоций, полученных из данных просмотра фильмов. Искусственные агенты TEM, или виртуальные роботы, были помещены в эту среду, чтобы они могли изучить взаимосвязь между понятиями эмоций.

После этой тренировки были построены траектории движения искусственных агентов, когда они «передвигались» по окружающей среде и делали собственные прогнозы о том, что их ждет, если они останутся на месте или будут двигаться вверх, вниз, вправо или влево вдоль графика.

«Главный вывод, — говорит Ма, — заключается в том, что мы обнаружили, что иерархия категорий эмоций представлена более широко — например, это хорошо, это плохо — во внутренней части гиппокампа. А в задней области представления более детализированы, это более тонкие концепции».

Результаты также показали, что вентромедиальная префронтальная кора, по-видимому, отслеживает долгосрочные переходы для общих, а не для более тонких эмоциональных концепций.

Полученные результаты предлагают нейровычислительное объяснение того, как люди организуют абстрактные знания об эмоциях обобщенным, нормативным образом.

Исследователи надеются развить свои выводы, изучив, как эта ментальная карта может различаться у людей с проблемами психического здоровья и в разных культурах.

Они также хотят изучить, как эта ментальная карта эмоций развивается с течением времени.

«Это открытые вопросы, — говорит Крагель. — Рождается ли человек со способностью формировать широкие категории эмоций, такие как хорошие или плохие, а затем постепенно учится добавлять более тонкие узлы в эту структуру? Или, может быть, человек рождается со способностью изучать общие реляционные структуры? Эмоции появляются первыми? Или наоборот?»