istraživanje

Mozak ubrzava percepciju, nagađajući što će se dalje dogoditi

Zamislite da uzimate čašusok od jabuke, kao što sumnjate, gutljaj i otkrijte da je to zapravo lagano pivo. Čak i ako vam obično ne smeta pivo, ovaj put gutljaj je užasan. Budući da kontekst i unutarnja stanja, uključujući očekivanja, utječu na to kako sve životinje percipiraju i obrađuju osjetilne informacije, objašnjava Alfredo Fontanini, neuroznanstvenik sa Sveučilišta Stony Brook u New Yorku. U ovom slučaju, čekanje na pogrešan poticaj dovodi do iznenađenja i negativne reakcije.

Ali to nije ograničeno na kvalitetu percepcije. Među ostalim učincima, senzorni sustav koji očekuje ulazne podatke, dobre ili loše, može također povećati brzinu kojom ih životinja otkriva, identificira i odgovara na njih.

Prije nekoliko godina, Fontanini i njegov timotkrili su izravne neuralne dokaze tog efekta ubrzanja u korteksu okusa, dijelu mozga koji je odgovoran za percepciju okusa. Od tada su pokušali odrediti strukturu kortikalne sheme koja ih je dovela do takvih rezultata. A sada je pronađeno. Prošli mjesec objavili su svoje nalaze u Nature Neuroscience: mrežni model s posebnom vrstom arhitekture koji ne samo da pruža nove uvide u način na koji očekivanja djeluju, već se bavi i širim pitanjima o tome kako bi znanstvenici trebali općenito gledati na percepciju. Više od toga, ona prati teoriju donošenja odluka, koja pretpostavlja da mozak doista donosi brze zaključke, umjesto da ih gradi.

Brzi osjećaji i aktivna stanja

Okus - najmanje proučen osjećaj - postao jesavršen za početak pretraživanja. Nakon što se okus pojavi na jeziku, potrebno je nekoliko stotina milisekundi, a aktivnost u kori okusa počinje odražavati dolazne podatke. "Prema standardima mozga, vječnost prolazi", kaže Don Katz, neuroznanstvenik na Sveučilištu Brandeis u Massachusettsu. "Potrebno je manje vremena u vizualnom korteksu", što otežava utvrđivanje učinka čekanja koje su znanstvenici željeli proučiti.

Godine 2012. vodili su Fontanini i njegovi kolegeeksperiment u kojem su štakori čuli zvuk ("pre-emptive signal"), a zatim su dobili mali dio okusa kroz cijev u ustima. Sam okus može biti slatko, slano, kiselo ili gorko, a predominantni signal nije sadržavao informacije o tome koja od četiri mogla slijediti.

Međutim, znanstvenici su otkrili da je takav zajedničkičekanje može uzrokovati da neuroni gustatorne kore prepoznaju stimulus gotovo dva puta brže nego kada su štakori primili okus bez da čuju prvi zvuk. Razdoblje odgode je smanjeno s otprilike 200 milisekundi na 120 milisekundi.

Fontanini je htio znati koju vrstu neuronske mrežeteoretski može osigurati brže kodiranje. I to je pomogao njegov kolega na Stony Brooke, neuroznanstvenik Giancarlo La Camera, koji je prethodno radio na modeliranju spontane moždane aktivnosti koja se događa čak iu odsutnosti podražaja.

U posljednjih nekoliko desetljeća sve višenaglašava se da se većina aktivnosti u senzorskim mrežama generira više iznutra nego pod utjecajem vanjskih podražaja. Ako usporedite aktivnost vizualnog korteksa životinje u potpunom mraku s aktivnošću životinje koja gleda okolo, razlika će biti mala. Čak iu odsutnosti svjetla, skupovi neurona u korteksu počinju raditi zajedno, bilo istovremeno ili u predvidljivim valovima. Ovo zajedničko pokretanje sprema se kao tzv. Metastabilno stanje od nekoliko stotina milisekundi do nekoliko sekundi, a zatim se slika aktivnosti mijenja. Metastabilnost, ili sklonost skočenju između tranzicijskih stanja, nastavlja se nakon uvođenja stimulusa (stimulusa), ali se neka stanja, poput pravila, češće pojavljuju za određene podražaje i stoga se smatraju "kodirajućim stanjima".

La Camera i drugi (uključujući Katz) ranijesimulirana metastabilnost, stvarajući takozvanu mrežu klastera. U njemu su skupine ekscitatornih neurona bile jako međusobno povezane, ali su inhibitorni neuroni nasumce povezani s pojedinim ekscitatornim neuronima. “Ova klaster arhitektura je bitna za stvaranje metastabilnosti”, kaže Fontanini.

Znanstvenici su otkrili da je ista struktura mrežetakođer je bio potreban kako bi se ponovno stvorili učinci čekanja. U metastabilnom modelu s klaster arhitekturom, znanstvenici su oponašali uobičajen predosjećajni signal s naknadnim pojavljivanjem određenog okusa. Nakon što su to učinili, uspješno su reproducirali ubrzanu šifru kodiranja koju je Fontanini primijetio u štakora u 2012. godini: prijelazi iz jednog metastabilnog stanja u drugo postali su brži nego što je omogućilo sustavu da brže dosegne kodirana stanja.

Ovi rezultati su pokazali da jednostavnim stvaranjem mrežepokazujući ove metastabilne obrasce aktivnosti, "možete uhvatiti mnogo neuroloških reakcija kada oponašate osjet okusa", kaže Fontanini.

Rad znanstvenika bio je izvanredan u tomedali su informacije o tome koju arhitekturu treba tražiti u kori okusa, a također i eventualno u drugim osjetilnim kortikalnim slojevima. Neuroznanstvenici sada odlučuju kako će se okus obraditi: neki kažu da određeni broj neurona može kodirati "slatko" i drugo "slano", stvarajući vrlo specifične neuronske potpise za određene ukuse. Drugi to pripisuju širim modelima u kojima većina neurona odgovara na većinu okusa. Rad Fontaninija i njegovih kolega podupire potonju teoriju, istodobno predviđajući kako taj odnos treba izgledati.

Mozak je kompliciran, slažete li se? Razgovarajmo o tome u našem chatu u Telegramu.