Research

Мозок прискорює сприйняття, вгадуючи, що буде далі

Уявіть, що ви берете в руки склянку зяблучним, як ви підозрюєте, соком, щоб зробити ковток і виявити, що це насправді світле пиво. Навіть якщо ви зазвичай не проти пива, в цей раз ковток жахливий на смак. Тому що контекст і внутрішні стану, включаючи очікування, впливають на те, як все тварини сприймають і обробляють сенсорну інформацію, пояснює Альфредо Фонтаніні, нейробіолог з Університету Стоні Брук в Нью-Йорку. В цьому випадку очікування невірного подразника призводить до несподіванки і негативної реакції.

Але це не обмежується якістю сприйняття. Серед інших ефектів, сенсорна система, яка очікує входять даних, хороших чи поганих, може також збільшувати швидкість, з якою тварина виявляє, ідентифікує і реагує на них.

Кілька років тому Фонтаніні і його командавиявили прямі нейронні докази цього ефекту прискорення під смакової корі, тієї частини мозку, яка відповідає за сприйняття смаку. З тих пір вони намагалися визначити структуру кортикальной схеми, яка привела їх до таких результатів. І ось, тепер вона знайдена. Минулого місяця вони опублікували свої висновки в Nature Neuroscience: модель мережі з особливим типом архітектури, яка не тільки дає нове розуміння того, як працює очікування, але також поглиблюється в більш широкі питання про те, як вченим варто розглядати сприйняття в більш широкому плані. Більш цього, це йде в ногу з теорією прийняття рішень, яка передбачає, що мозок дійсно робить поспішні висновки, а не будує їх.

Швидкі почуття і активні стану

Смак - найменш вивчене почуття - ставідеальним для початку пошуку. Після того, як смак потрапляє на язик, проходить кілька сотень мілісекунд і активність у смакової корі починає відбивати вхідні дані. «За мірками мозку, проходить вічність», говорить Дон Кац, нейробіолог з Університету Брандейс в Массачусетсі. «У зоровій корі це займає менше часу», що значно ускладнює визначення ефекту очікування, який вчені хотіли вивчити.

У 2012 році Фонтаніні і його колеги провелиексперимент, в якому щури чули звук ( «попереджуючий сигнал»), а потім отримували невелику порцію смаку через трубку в роті. Сам по собі смак міг бути солодким, солоним, кислим або гірким, а попереджуючий сигнал не містив інформації про те, який з чотирьох може послідувати.

Проте, вчені виявили, що такі загальніочікування можуть змусити нейрони смакової кори розпізнавати подразник майже в два рази швидше, ніж коли щури отримували смак, не почувши спершу звуку. Період затримки знизився з приблизно 200 мілісекунд до 120 мілісекунд.

Фонтаніні хотів знати, який тип нейронної мережіможе теоретично забезпечити більш швидке кодування. І в цьому йому допоміг колега по Стоні Брук, нейробіолог Джанкарло Ла Камера, який раніше працював над моделюванням спонтанної мозкової діяльності, яка відбувається навіть за відсутності подразників.

В останні кілька десятиліть все частішепідкреслюється, що велика частина діяльності в сенсорних мережах генерується швидше зсередини, ніж під впливом зовнішніх подразників. Якщо порівняти активність зорової кори тварини в повній темряві з активністю тварини, яка оглядається навколо, різниця буде невеликою. Навіть за відсутності світла набори нейронів в корі починають спрацьовувати спільно, або одночасно, або передбачуваними хвилями. Це спільне спрацьовування зберігається у вигляді так званого метастабильного стану від декількох сотень мілісекунд до декількох секунд, і потім картинка активності перемикається. Метастабільній, або тенденція перескакувати між перехідними станами, триває після введення подразника (стимулу), але деякі стану, як правила, проявляються частіше для певних стимулів і тому розглядаються як «кодують стану».

Ла Камера та інші (включаючи Каца) ранішемоделювали метастабільній, створюючи так звану кластерну мережу. У ній групи збудливих нейронів були сильно взаємопов'язані, але з окремими збудливими нейронами були випадковим чином пов'язані гальмують нейрони. «Ця кластерна архітектура необхідна для створення метастабильности», говорить Фонтаніні.

Вчені виявили, що та ж сама структура мережібула необхідна і для відтворення ефектів очікування. У метастабільною моделі з кластерної архітектурою вчені імітували загальний попереджуючий сигнал з наступною появою певного смакового стимулу. Зробивши це, вони успішно відтворили шаблон прискореного кодування, який Фонтаніні спостерігав у щурів в 2012 році: переходи з одного метастабільного стану в інше стали швидше, ніж також дозволило системі швидше досягати кодують станів.

Ці результати показали, що, просто створивши мережу,показує ці метастабільні схеми активності, «ви можете вловити безліч неврологічних реакцій, коли імітуєте смакові відчуття», говорить Фонтаніні.

Робота вчених була примітна тим, щонадала інформацію про те, яку архітектуру слід шукати у смакової корі, а також, можливо, і в інших сенсорних кортикальних шарах. Зараз нейробіологи вирішують, як обробляється смак: деякі стверджують, що ряд нейронів може кодувати «солодкий», а інший «солоний», створюючи дуже специфічні нейронні сигнатури для певних смаків. Інші пов'язують це з більш широкими моделями, в яких більшість нейронів відповідають на більшість смаків. Робота, виконана Фонтаніні і його колегами, підтримує останню теорію, в той же час надаючи прогнози про те, як повинна виглядати ця зв'язок.

Мозок влаштований складно, згодні? Давайте обговоримо це в нашому чаті в Телеграма.