Мозг ускоряет восприятие, угадывая, что будет дальше

Представьте, что вы берете в руки стакан с яблочным, как вы подозреваете, соком, чтобы сделать глоток и обнаружить, что это на самом деле светлое пиво. Даже если вы обычно не против пива, в этот раз глоток ужасен на вкус. Потому что контекст и внутренние состояния, включая ожидание, влияют на то, как все животные воспринимают и обрабатывают сенсорную информацию, объясняет Альфредо Фонтанини, нейробиолог из Университета Стони Брук в Нью-Йорке. В этом случае ожидание неверного раздражителя приводит к неожиданности и негативной реакции.

Но это не ограничивается качеством восприятия. Среди других эффектов, сенсорная система, которая ожидает входящих данных, хороших или плохих, может также увеличивать скорость, с которой животное обнаруживает, идентифицирует и реагирует на них.

Несколько лет назад Фонтанини и его команда обнаружили прямые нейронные доказательства этого эффекта ускорения во вкусовой коре, той части мозга, которая отвечает за восприятие вкуса. С тех пор они пытались определить структуру кортикальной схемы, которая привела их к таким результатам. И вот, теперь она найдена. В прошлом месяце они опубликовали свои выводы в Nature Neuroscience: модель сети с особым типом архитектуры, которая не только дает новое понимание того, как работает ожидание, но также углубляется в более широкие вопросы о том, как ученым стоит рассматривать восприятие в более широком плане. Более этого, это идет в ногу с теорией принятия решений, которая предполагает, что мозг действительно делает поспешные выводы, а не строит их.
 

Вкус — наименее изученное чувство — стал идеальным для начала поиска. После того, как вкус попадает на язык, проходит несколько сотен миллисекунд и активность во вкусовой коре начинает отражать входящие данные. «По меркам мозга, проходит вечность», говорит Дон Кац, нейробиолог из Университета Брандейс в Массачусетсе. «В зрительной коре это занимает меньше времени», что значительно затрудняет определение эффекта ожидания, который ученые хотели изучить.

В 2012 году Фонтанини и его коллеги провели эксперимент, в котором крысы слышали звук («упреждающий сигнал»), а затем получали небольшую порцию вкуса через трубку во рту. Сам по себе вкус мог быть сладким, соленым, кислым или горьким, а упреждающий сигнал не содержал информации о том, какой из четырех может последовать.

Тем не менее, ученые обнаружили, что такие общие ожидания могут заставить нейроны вкусовой коры распознавать раздражитель почти в два раза быстрее, чем когда крысы получали вкус, не услышав сперва звука. Период задержки снизился с примерно 200 миллисекунд до 120 миллисекунд.

Фонтанини хотел знать, какой тип нейронной сети может теоретически обеспечить более быстрое кодирование. И в этом ему помог коллега по Стони Брук, нейробиолог Джанкарло Ла Камера, который ранее работал над моделированием спонтанной мозговой деятельности, которая происходит даже в отсутствие раздражителей.

В последние несколько десятилетий все чаще подчеркивается, что большая часть деятельности в сенсорных сетях генерируется скорее изнутри, нежели под воздействием внешних раздражителей. Если сравнить активность зрительной коры животного в полной темноте с активностью животного, которое оглядывается вокруг, разница будет небольшой. Даже в отсутствие света наборы нейронов в коре начинают срабатывать совместно, либо одновременно, либо предсказуемыми волнами. Это совместное срабатывание сохраняется в виде так называемого метастабильного состояния от нескольких сотен миллисекунд до нескольких секунд, и затем картинка активности переключается. Метастабильность, или тенденция перескакивать между переходными состояниями, продолжается после введения раздражителя (стимула), но некоторые состояния, как правила, проявляются чаще для определенных стимулов и поэтому рассматриваются как «кодирующие состояния».

Ла Камера и другие (включая Каца) ранее моделировали метастабильность, создавая так называемую кластерную сеть. В ней группы возбуждающих нейронов были сильно взаимосвязаны, но с отдельными возбуждающими нейронами были случайным образом связаны тормозящие нейроны. «Эта кластерная архитектура необходима для создания метастабильности», говорит Фонтанини.

Ученые обнаружили, что та же самая структура сети была необходима и для воссоздания эффектов ожидания. В метастабильной модели с кластерной архитектурой ученые имитировали общий упреждающий сигнал с последующим появлением определенного вкусового стимула. Сделав это, они успешно воспроизвели шаблон ускоренного кодирования, который Фонтанини наблюдал у крыс в 2012 году: переходы из одного метастабильного состояния в другое стали быстрее, чем также позволило системе быстрее достигать кодирующих состояний.

Эти результаты показали, что, просто создав сеть, показывающую эти метастабильные схемы активности, «вы можете уловить множество неврологических реакций, когда имитируете вкусовые ощущения», говорит Фонтанини.

Работа ученых была примечательна тем, что предоставила информацию о том, какую архитектуру следует искать во вкусовой коре, а также, возможно, и в других сенсорных кортикальных слоях. Сейчас нейробиологи решают, как обрабатывается вкус: некоторые утверждают, что ряд нейронов может кодировать «сладкий», а другой «соленый», создавая очень специфические нейронные сигнатуры для определенных вкусов. Другие связывают это с более широкими моделями, в которых большинство нейронов отвечают на большинство вкусов. Работа, проделанная Фонтанини и его коллегами, поддерживает последнюю теорию, в то же время предоставляя прогнозы о том, как должна выглядеть эта связь.