Аннотация:
Когда люди видят мир, они не просто напрямую представляют сигналы, полученные их глазами. Визуальная информация обрабатывается множеством областей мозга с разными функциями, и эти области должны постоянно обмениваться информацией, чтобы в конечном итоге сформировать относительно единый результат восприятия. Новое исследование, проведенное исследователями из лаборатории Колд-Спринг-Харбор, Кембриджского университета и Университетского колледжа Лондона, показало, что мозг может постепенно формировать последовательную интерпретацию одной и той же информации в разных зрительных областях посредством нейронного механизма, похожего на «достижение консенсуса».
В этом исследовании, опубликованном в журнале «Nature Neuroscience», в качестве подопытных использовались мыши, основное внимание уделялось первичной зрительной коре V1 и латеральной медиальной зрительной области LM. Обе области принадлежат зрительной коре головного мозга, но информация, за обработку которой они отвечают, различна, и между ними существуют двунаправленные нейронные связи, так что это не просто односторонняя передача информации из одной области в другую.
Исследователи обнаружили, что когда паттерны нейронной активности в двух областях, V1 и LM, соответствовали друг другу, активность длилась дольше; тогда как, когда в этих двух областях наблюдались противоречивые модели активности, различия быстро исчезали менее чем за секунду. Это означает, что разные области мозга могут не обрабатывать информацию независимо, а могут взаимодействовать друг с другом, постепенно ослабляя противоречивую информацию, сохраняя при этом взаимно распознаваемые модели нейронной активности.
Исследовательская группа называет этот механизм «достижением консенсуса». Этот механизм может помочь мозгу интегрировать данные из разных нейронных областей и разных информационных каналов для формирования целостного общего восприятия.
Чтобы объяснить эту проблему, исследователи используют оптические иллюзии. Когда человек видит размытый объект в затемненной обстановке, он может мгновенно узнать в нем лицо; апельсин можно на короткое время увидеть как яблоко при определенном освещении и ракурсе. Зрительная система не сталкивается с набором всегда четкой и совершенно непротиворечивой информации, а требует постоянного согласования различных интерпретаций. Чтобы изучить этот процесс координации, исследователи научили мышей различать два зрительных паттерна, наклоненных под противоположными углами, а затем вознаграждали мышей только за один из паттернов. Во время эксперимента исследователи ненадолго отключили нейронную активность в V1 или LM, одновременно записывая изменения в другой зрительной области после потери сигнала из партнерской области.
Благодаря этим экспериментальным данным исследователи создали модель искусственной нейронной сети, представляющую нейронную цепь между V1 и LM. Модель способна моделировать активность двух областей мозга под воздействием различных зрительных стимулов и проверять, как связь между двумя областями влияет на продолжительность нейронной активности при воздействии на определенные нейроны.
Исследователи в конечном итоге обнаружили, что двунаправленная связь между V1 и LM может динамически изменять состояние нейронной активности двух областей. Когда обе стороны имеют схожие модели деятельности, соответствующие сигналы будут устойчивыми; когда модели деятельности двух сторон непоследовательны, сигналы конфликта быстро ослабевают.
Чтобы построить более точную модель, исследователи проанализировали данные нейронной активности семи мышей, включая 194 нейрона V1 и 228 нейронов LM. Исследовательская группа использовала эти данные для построения моделей цепей областей мозга и прогнозирования изменений активности при различных условиях стимуляции и нейронного вмешательства.
Исследователи полагают, что этот механизм может объяснить давнюю проблему нейробиологии: разные области мозга узкоспециализированы и каждая получает и обрабатывает разные типы информации, но в конечном итоге люди получают единое и связное мировоззрение.
Другими словами, мозг не просто объединяет результаты работы нескольких областей мозга вместе, но может позволить различным областям постепенно «согласовывать» общее объяснение посредством непрерывной двусторонней обратной связи между областями мозга. Вместо того, чтобы говорить, что одна область мозга в конечном итоге обладает абсолютной властью принятия решений, лучше сказать, что несколько областей мозга продолжают влиять друг на друга и в конечном итоге образуют относительно стабильное общее состояние.
Однако в ходе этого исследования пока наблюдались только две зрительные области мозга, а подопытными были мыши. Поэтому исследователи не могут напрямую доказать, что человеческий мозг использует тот же механизм. В ходе эксперимента также проверялось распознавание мышами различных косых зрительных образов, а не сложных зрительных иллюзий в повседневной жизни людей.
Исследовательская группа надеется далее определить, существует ли «достижение консенсуса» в более широком диапазоне областей коры головного мозга. Если этот механизм применим не только к V1 и LM, но и в целом работает между другими областями мозга, то он может стать важной теоретической основой для объяснения того, как мозг интегрирует сложную информацию.
Исследователей особенно беспокоят информационные конфликты между различными органами чувств. Например, когда человек видит объект, движущийся в направлении, несовместимом с информацией, предоставляемой звуком, который он слышит, как мозг решает, какой части информации в конечном итоге верить? Вопрос о том, координируются ли зрительная, слуховая и другие сенсорные системы посредством аналогичных нейронных механизмов, еще предстоит изучить.
Если окажется, что этот механизм достижения консенсуса широко распространен в коре головного мозга, он также может помочь ученым понять некоторые ситуации, в которых нейронные системы не могут сформировать единое объяснение. Когда различные области мозга не могут эффективно координировать информацию, это может привести к нарушениям восприятия и познания.
Это исследование также может дать новые идеи для искусственного интеллекта. Современные системы искусственного интеллекта часто состоят из нескольких специализированных модулей, работающих вместе, и разные модели или модули иногда дают разные или даже противоречивые результаты для одних и тех же входных данных. Исследователи полагают, что механизм мозга, позволяющий сохранять взаимно согласованную информацию и быстро ослаблять противоречивую информацию, может вдохновить системы искусственного интеллекта на разработку более эффективных методов координации информации в будущем.
Основной вывод этого исследования заключается не в том, что в мозге есть одна область, ответственная за «суждение», а в том, что различные области мозга продолжают взаимодействовать друг с другом посредством двусторонних связей, постепенно уменьшая различия во временном измерении и усиливая общие модели активности, что позволяет узкоспециализированной нервной системе в конечном итоге сформировать относительно единый результат восприятия.
Комментарии