Мозг готовится к изображению или прикосновению ещё до их появления

Учёные обнаружили в глубинных структурах мозга сигналы, которые заранее различают ожидаемые зрительные и тактильные ощущения

Мозг начинает готовиться раньше, чем появляется ощущение

Представьте, что кто-то собирается прикоснуться к вашей руке. Вы ещё не почувствовали прикосновения, но уже знаете, что оно должно произойти.

Или вы ожидаете увидеть изображение на экране. Картинка пока не появилась, однако мозг уже располагает информацией о том, какой тип сигнала ему предстоит обработать.

Обычно подобные процессы связывают с корой больших полушарий — наиболее развитой частью человеческого мозга, участвующей в восприятии, памяти, внимании и принятии решений.

Но международная группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT), Северо-Восточного университета, Массачусетской больницы общего профиля и других научных учреждений решила проверить, участвуют ли в сенсорном предсказании более глубокие структуры.

В центре внимания оказался верхний холмик четверохолмия (superior colliculus) — небольшая парная структура среднего мозга, размер которой составляет примерно шесть миллиметров с каждой стороны.

О его роли в управлении движениями глаз, пространственном внимании и реакции на сенсорные события учёные знали давно.

Вопрос заключался в другом: способен ли верхний холмик участвовать в подготовке к ощущению, которого ещё нет?

Как проверили способность мозга предвосхищать ощущения

В исследовании участвовали 80 здоровых взрослых в возрасте от 18 до 40 лет. Их разделили на две группы по 40 человек.

Участникам первой группы показывали изображения. Участники второй ощущали механическое давление на большой палец левой руки.

Стимулы могли быть нейтральными или неприятными. Например, давление на палец различалось по интенсивности, а изображения — по эмоциональному содержанию.

Перед каждым воздействием участники видели две геометрические фигуры. Им предлагали выбрать одну из них, причём в половине испытаний выбор делал компьютер.

Каждая фигура была связана с определённой вероятностью неприятного воздействия. Таким образом, человек выполнял небольшую задачу, результатом которой становилось зрительное или тактильное ощущение.

Важная деталь: непосредственно перед стимулом обе группы выполняли одинаковые действия и получали одинаковую текущую зрительную информацию.

Различалось то, чего участники ожидали после этого этапа: изображения или давления на палец.

Именно такое построение эксперимента позволило исследователям сравнить активность мозга не только во время поступления сигналов, но и непосредственно перед ними.

Почему обычной МРТ оказалось недостаточно

Верхний холмик слишком мал, чтобы подробно исследовать распределение активности по его слоям с помощью стандартных методов функциональной магнитно-резонансной томографии.

Поэтому учёные использовали сверхвысокопольный МРТ-сканер мощностью 7 Тесла.

Он позволил получать функциональные изображения с пространственным разрешением 1,1 миллиметра. Для сравнения: при обычной функциональной МРТ на аппаратах 3 Тесла типичное разрешение составляет 2–3 миллиметра.

Разница принципиальна, когда изучаемая структура имеет размеры всего несколько миллиметров.

При этом функциональная МРТ регистрирует не электрические импульсы отдельных нейронов, а изменения сигнала, связанные с насыщением крови кислородом. Этот показатель называется BOLD-сигналом и косвенно отражает работу нервной ткани.

Высокое разрешение позволило сравнить активность поверхностных и глубоких участков верхнего холмика, которые выполняют несколько разные функции.

Самое неожиданное обнаружили ещё до появления стимула

Когда участники рассматривали изображения, исследователи наблюдали относительно более сильный ответ в поверхностных слоях верхнего холмика.

При механическом воздействии на палец активность была относительно выше в глубоких слоях.

Такое распределение соответствовало данным предыдущих экспериментов на животных. Поверхностные слои верхнего холмика особенно тесно связаны со зрительной системой, тогда как более глубокие участвуют в обработке нескольких видов сенсорной информации и управлении движениями.

Но главный результат появился при анализе периода ожидания.

До того как участники увидели изображение или почувствовали давление, распределение активности уже различалось в зависимости от ожидаемого типа стимула.

Особенно выраженный ответ глубоких слоёв наблюдался перед тактильным воздействием.

При ожидании изображения распределение активности было иным, хотя превышение сигнала поверхностных слоёв над глубокими внутри этой группы не достигло статистической значимости.

Иными словами, исследователи обнаружили не полное совпадение реакций до и после воздействия, а характерное сходство пространственных паттернов активности.

Чтобы проверить результат другим способом, учёные использовали машинное обучение.

Алгоритм обучали различать изображения функциональной МРТ, полученные при зрительном и тактильном воздействии. Затем проверяли, способен ли он распознавать соответствующие группы по активности мозга ещё до предъявления стимулов.

Точность одной из таких проверок составила около 60% при случайном уровне 50%. Разница была статистически значимой.

Это важно понимать правильно: алгоритм определял, к какой сенсорной группе относится участник, а не угадывал содержание будущей картинки или силу следующего прикосновения.

Тем не менее результат подтвердил, что период ожидания действительно содержит информацию о характере предстоящего сенсорного события.

Предсказание оказалось не только функцией коры мозга

Исследователи проверили ещё две структуры — сенсорные ядра таламуса.

Таламус расположен глубоко в мозге и участвует в передаче и обработке информации, поступающей от органов чувств.

В работе изучали:

• Латеральное коленчатое тело — структуру, тесно связанную с обработкой зрительной информации.
• Вентральное заднелатеральное ядро — структуру, участвующую в обработке чувствительных сигналов от тела.

В обеих областях обнаружили признаки активности, соответствующей ожидаемому виду сенсорного воздействия.

Таким образом, предвосхищение зрительных и тактильных событий проявлялось не в одной изолированной структуре, а в нескольких связанных областях мозга.

Это согласуется с представлением о предиктивной обработке информации.

Согласно этой концепции, мозг не просто принимает сигналы от внешнего мира и последовательно их анализирует. Он также использует предыдущий опыт и текущую ситуацию, чтобы заранее подготовиться к наиболее вероятным событиям.

В такой системе поступающая информация сопоставляется с ожиданиями. Несовпадения могут использоваться для уточнения внутренних представлений и корректировки поведения.

Новые данные показывают, что связанные с ожиданием сигналы присутствуют и в эволюционно древних структурах мозга.

Однако исследование не доказывает, что верхний холмик самостоятельно создаёт эти предсказания. Он может получать соответствующую информацию от коры и участвовать в её дальнейшей обработке.

Направление передачи предиктивных сигналов между различными структурами ещё предстоит установить.

Почему способность предвосхищать ощущения важна для человека

Если бы нервная система начинала подготовку к каждому событию только после его наступления, многие реакции могли бы запаздывать.

Зрительная система постоянно сталкивается с этой задачей. Когда человек быстро переводит взгляд с одного объекта на другой, изображение на сетчатке резко меняется, но окружающий мир обычно воспринимается достаточно стабильным.

Предварительная подготовка сенсорных и двигательных систем помогает объяснить, как мозг обеспечивает согласованность восприятия и действий.

Верхний холмик особенно интересен именно потому, что связан одновременно с обработкой ощущений и управлением движениями.

Он участвует в ориентации взгляда и направлении внимания на значимые события.

Поэтому обнаружение предиктивных сигналов в этой структуре дополняет представление о её функциях.

Возможно, её роль шире, чем быстрое реагирование на уже появившийся стимул: она также участвует в подготовке нервной системы к ожидаемому взаимодействию с окружающей средой.

Но эта интерпретация пока требует дальнейшей экспериментальной проверки.

Что исследование ещё не позволяет утверждать

Несмотря на убедительность обнаруженных различий, работа имеет ограничения.

Прежде всего исследователи изучали здоровых молодых взрослых. Неизвестно, насколько аналогичные закономерности сохраняются при старении, неврологических заболеваниях или нарушениях сенсорной обработки.

Кроме того, каждый участник получал только один тип сенсорной стимуляции. Поэтому исследование сравнивало две группы людей, а не переключение между зрительным и тактильным ожиданием у одного человека.

Существует и более тонкая проблема интерпретации.

Механическое давление на палец связано не только с ощущением прикосновения, но и с движением тканей. Поэтому некоторые изменения активности глубоких слоёв могут отражать подготовку двигательных систем.

Также нельзя полностью исключить влияние общего ожидания неприятного воздействия, а не исключительно прогнозирования конкретной сенсорной модальности.

Авторы отмечают ещё одно ограничение: движения глаз непосредственно во время МРТ не регистрировались. Следовательно, небольшие различия в поведении взгляда могли вносить вклад в измеряемый сигнал.

Наконец, даже высокопольная функциональная МРТ не позволяет установить, какие именно нейроны формируют предиктивные сигналы и каким образом эти сигналы передаются между структурами.

Поэтому работа демонстрирует характерные изменения активности, связанные с ожиданием, но пока не раскрывает всю нейронную цепь их возникновения.

Следующий вопрос — участвует ли верхний холмик в памяти и мышлении

Исследователи намерены продолжить изучение небольших подкорковых структур, которым традиционно уделялось меньше внимания, чем коре больших полушарий.

Одно из направлений — рабочая память.

Рабочей памятью называют способность кратковременно удерживать информацию и использовать её для выполнения текущей задачи. Например, помнить расположение объекта, пока взгляд направлен в другую сторону.

Поскольку верхний холмик объединяет сенсорную информацию с подготовкой движений, исследователи предполагают, что он может участвовать и в подобных процессах.

Но его конкретная роль в рабочей памяти ещё не установлена.

Новая работа пока не предлагает методов диагностики или лечения неврологических заболеваний. Её значение фундаментальное: она помогает точнее понять, как распределены функции предсказания и подготовки к ощущениям между различными структурами человеческого мозга.