Если однажды утром вы откроете дверь своего офиса и обнаружите на столе новую посылку, то это то, что вы заметите больше всего в остальном неизменной комнате. Новое исследование, проведенное нейробиологами Массачусетского технологического института и Бостонского университета, показало, что динамическое взаимодействие различных частот мозговых волн, а не специальные схемы, по-видимому, управляет способностью мозга выделять то, что удивительно, и преуменьшать то, что предсказуемо.
Измеряя тысячи нейронов вдоль поверхности, или коры, головного мозга животных, реагирующих на предсказуемые и неожиданные образы, исследователи обнаружили, что низкочастотные альфа-и бета-волны мозга, или ритмы, возникающие в лобных когнитивных областях мозга, подавляют нейронную активность, связанную с предсказуемыми стимулами. Это проложило путь для нейронов в сенсорных областях в задней части мозга, чтобы продвигать информацию, связанную с неожиданными стимулами с помощью высокочастотных гамма-волн. Обратный поток альфа / бета, несущих ингибиторные предсказания, как правило, направлялся через более глубокие слои коры, в то время как прямой поток возбуждающей гаммы, несущей новые стимулы, распространялся через поверхностные слои.
"Эти взаимодействия между бета и гамма происходят по всей коре головного мозга",-сказал Эрл Миллер, профессор нейробиологии в отделе мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института и соавтор исследования в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. -И она не универсальна—она нацелена на обработку специфических стимулов."
В этом отношении это новое исследование расширяет большую часть недавней работы Миллера. Ранее его лаборатория в Институте обучения и памяти Пикоуэра показала, что в префронтальной коре рабочая память зависит от всплесков бета-ритмов из глубоких слоев, регулирующих активность гамма-частоты в более поверхностных слоях. Эти выводы частично основаны на исследованиях, опубликованных в 2012 году постдоком Андре Бастосом, который является ведущим автором новой статьи. Теперь новое исследование и еще одно опубликованное лабораторией Миллера ранее в этом году предполагают, что это толчок и притяжение между частотными полосами это общая регуляторная система информационного потока в коре головного мозга. Более того, новые результаты экспериментально показывают, что он играет ключевую роль в прогностическом кодировании (как начал теоретизировать Бастос в 2012 году), а не только в связанной с ним функции рабочей памяти.
Прогностическое кодирование - это ключевая когнитивная функция, которая, по-видимому, нарушается при расстройствах аутистического спектра, отметили Миллер и Бастос. Некоторые люди с аутизмом борются за то, чтобы рассматривать знакомые стимулы как таковые, рассматривая все как новое и одинаково заметное. Это может помешать обучению распознаванию предсказуемых ситуаций и, следовательно, способности делать обобщения об опыте.
"Поскольку вы не в состоянии подавить и активно регулировать прогнозируемую информацию, мозг находится в постоянном состоянии скачка информации вперед, который может быть ошеломляющим", - сказал Бастос. На самом деле, для любого человека, добавил он, пребывание в совершенно новом месте, где предсказания окружающей среды еще не успели сформироваться, может вызвать чувство сенсорной перегрузки.
Установка и нарушение ожиданий
В ходе исследования команда дала животным упрощенный опыт прогностического кодирования. Им было представлено изображение в качестве сигнала, а затем после короткой паузы на экран вернулись три изображения, включая оригинал. Животные просто должны были направить свой взгляд на ранее вызванное изображение, чтобы завершить задачу. Иногда сигнал будет одним и тем же для многих испытаний подряд (тем самым становясь предсказуемым и привычным). Иногда сигнал внезапно менялся, нарушая предсказанное ожидание. Пока животные играли в эту игру, ученые считывали нейронную активность и общие ритмы, производимые этой активностью в пяти областях коры головного мозга, от зрительных областей в задней части головы до теменной коры в середине, до когнитивной коры, включая префронтальную кору, спереди.
Команда не стремилась анализировать рабочую память или то, как животные удерживали в памяти изображение сигнала. Вместо этого они измеряли различия, сделанные, когда изображение сигнала было предсказуемым, а когда нет. Их измерения показали, что непредсказуемые стимулы вызывают больше нервной активности, чем предсказуемые. Они также показали, что активность, связанная с непредсказуемыми стимулами, была наиболее сильной в гамма-диапазоне частот (и очень низкочастотном тета-диапазоне), в то время как активность, связанная с предсказанными стимулами, была наиболее сильной в альфа - /бета-частотах.
Эти изменения мощности на каждой частоте не были повсеместными—они были наибольшими именно среди нейронов, которые больше всего реагировали на представленный стимул. Это означает, что регуляторные изменения мозговых волн наиболее сильно воздействовали на нейронные сети, обрабатывающие сигналы, которые видели животные. По этой причине команда называет свою концептуальную модель прогностического кодирования "прогностической маршрутизацией"."
"Наша работа показывает, что прогностическое кодирование может работать без специальных схем для обнаружения несоответствий между предсказаниями и реальностью", - сказал Миллер.
Бастос далее пояснил: "ключевым элементом этой новой модели является то, что предсказание может быть выполнено путем избирательного блокирования маршрутов информационных потоков, которые несут предсказуемую информацию."
Соавтор статьи Нэнси Копелл, выдающийся профессор математики Бостонского университета Уильям Фэрфилд Уоррен, добавила: "чтобы поддержать эту идею, потребовались сложные эксперименты, описанные в статье, включающие измерения из нескольких частей мозга."
Последующий анализ данных показал и другие ключевые тенденции. Среди них было то, что когерентность активности между кортикальными областями была сильнее в альфа - / бета-диапазоне, когда изображение сигнала было предсказуемым, и сильнее в гамма-диапазоне, когда это было не так. Более того, направление этих различных полос (как они распространялись взад и вперед по коре головного мозга) показало, что альфа/бета питались от высших когнитивных областей к низшим (сенсорным) областям, в то время как гамма питалась вперед от низших областей к высшим.
Обращая внимание на исключения
Ученые также обнаружили, что Альфа / Бета в основном достигают пика в более глубоких слоях зрительной коры, в то время как гамма часто сильнее всего проявляется в поверхностных слоях. Но были и исключения на этом пути. Область теменной коры 7А подавляла тенденцию к пику гамма-излучения при неожиданных стимулах, вместо этого достигая пика в более высоком конце бета-диапазона частот. Одна из возможностей, говорит Копелл, заключается в том, что 7A был вовлечен в буфер рабочей памяти, который, как полагают, использует бета-колебания. Другим объяснением может быть то, что бета-активность 7А связана не столько с предсказанием, сколько с вниманием. Животные, выполняющие эту задачу, должны были обращать по крайней мере некоторое внимание на сигнал, независимо от того, был ли он предсказуем или нет.
Разработка экспериментов, которые могут полностью отделить внимание от предсказания, может стать важным направлением в будущем, сказал Бастос. Еще одна важная будущая цель будет заключаться в создании вычислительных моделей, моделирующих взаимодействие между слоями и частотами для подавления прогнозируемой информации.
"Ламинарная детализация из текущего набора данных будет очень полезна при создании такой модели", - сказал Копелл.