Как мозг устраняет противоречия и создаёт единую картину увиденного

Зрительная система постоянно получает огромный поток информации, которая обрабатывается разными участками мозга. Но каким образом отдельные области, выполняющие собственные задачи, в итоге приходят к единому заключению о том, что находится перед глазами? Новое исследование показало, что взаимные связи между зонами зрительной коры могут поддерживать согласующиеся сигналы и быстро подавлять противоречащие друг другу варианты. Работу провели специалисты Лаборатории Колд-Спринг-Харбор совместно с учёными Кембриджского университета и Университетского колледжа Лондона.

Результаты опубликованы в журнале Nature Neuroscience. Когда человек или животное видит какой-либо объект, мозг не получает его готовое изображение. Отдельные участки зрительной системы анализируют линии, контуры, ориентацию, движение и другие характеристики. Эти сведения передаются между специализированными областями, после чего мозг должен объединить их в целостное и непротиворечивое восприятие. Исследователи сосредоточились на двух связанных участках зрительной коры мышей.

Первый — первичная зрительная кора V1, принимающая и обрабатывающая основные зрительные сигналы.

Второй — латеромедиальная область LM, участвующая в более сложном анализе увиденного. Обмен информацией между ними происходит в обоих направлениях: V1 передаёт данные в LM, но одновременно получает обратные сигналы. Мышей обучили различать два зрительных узора, наклонённых в противоположные стороны. За правильную реакцию на изображение определённой ориентации животные получали вознаграждение.

Во время выполнения задания учёные одновременно регистрировали активность нейронов в обеих областях мозга. Всего исследователи проанализировали сигналы 194 нейронов первичной зрительной коры и 228 нейронов области LM у семи мышей. Чтобы определить роль каждой зоны, специалисты применяли оптогенетические методы: на короткое время подавляли активность одной из областей и наблюдали, как в этот момент менялась работа другой. На основе полученных данных команда создала вычислительную модель нейронной цепи V1–LM.

Она учитывала биологические особенности исследуемых участков и позволяла воспроизводить их реакцию на зрительные стимулы, а также моделировать последствия изменения активности отдельных групп нейронов. Результаты показали, что две области зрительной коры не просто последовательно передают друг другу информацию. Благодаря взаимным возбуждающим связям они сравнивают собственные варианты ответа и постепенно формируют согласованную картину. Если активность V1 и LM соответствовала одному и тому же зрительному сигналу, такой нейронный рисунок сохранялся дольше. Когда же две области выдавали несовместимые варианты, рассогласованная активность быстро ослабевала — в течение долей секунды.

Авторы назвали этот процесс динамическим построением консенсуса. Подобный механизм можно сравнить с обсуждением между двумя специалистами. Каждый из них анализирует информацию со своей точки зрения, однако окончательный вывод сохраняется только в том случае, если их оценки согласуются. Противоречивые версии не обязательно исчезают мгновенно, но система устроена так, что они быстрее теряют влияние. Учёные описывают обнаруженную динамику с помощью понятия «приближённый линейный аттрактор».

За этим сложным термином скрывается способность нейронной сети дольше удерживать совместимые состояния активности и ускорять исчезновение несогласованных. Благодаря этому мозг может получать устойчивое представление об объекте, даже если исходные сигналы оказываются неоднозначными или неполными. Открытие помогает объяснить, как специализированные области коры способны работать как единая система. Оно также показывает, что зрительное восприятие представляет собой не одностороннюю цепочку — от глаза к первичной коре и далее к более сложным зонам.

Различные уровни обработки постоянно обмениваются сигналами и корректируют активность друг друга. Пока исследование охватывает только две зрительные области мозга мышей. Поэтому преждевременно утверждать, что именно этот механизм объясняет все зрительные иллюзии или принятие решений у человека. Необходимо проверить, действует ли подобный принцип в других отделах мозга и у других видов. Исследователей особенно интересует, может ли динамическое построение консенсуса помогать объединять информацию, поступающую от разных органов чувств. Например, мозгу иногда приходится решать, как интерпретировать ситуацию, если увиденное не соответствует услышанному.

Возможно, сходные нейронные процессы позволяют согласовывать звук, изображение, прикосновение и предыдущий опыт. В перспективе открытие может помочь в изучении состояний, при которых взаимодействие между областями мозга нарушается и человеку становится сложнее формировать целостное восприятие окружающего мира. Однако клиническое применение результатов пока не исследовалось. Обнаруженный принцип представляет интерес и для разработчиков искусственного интеллекта. Современным системам также приходится сопоставлять сведения из разных источников и устранять противоречия.

Архитектуры, способные поддерживать согласованные сигналы и быстро ослаблять несовместимые, потенциально смогут принимать более устойчивые решения. Новое исследование приближает учёных к пониманию того, что объединяет специализированные участки мозга в единое целое. Возможно, непрерывный обмен информацией и быстрое достижение нейронного «согласия» являются одним из фундаментальных механизмов, благодаря которым разрозненные сигналы превращаются в понятную картину окружающего мира.

• Глобальное потепление нарушает многовековую климатическую связь между двумя океанами
• Под горами Юты обнаружили огромные запасы скрытого льда
• Ношение оружия почти в четыре раза повышает вероятность попытки самоубийства среди подростков
• Учёные нашли новую подсказку к происхождению Кровавого водопада в Антарктиде
• Учёные впервые испытали метод утолщения арктического льда
• Под землей обнаружили гигантскую грибную сеть длиной в квадриллионы километров
• Низкий уровень дофамина может быть причиной подростковой тяги к риску, которая исчезает с возрастом
• Ученые обнаружили скрытый квантовый мир внутри кобальта