Мозг сравнивает настоящее с недавним прошлым: ученые нашли нейронную цепь, которая помогает принимать решения

Каждую секунду мозг получает огромное количество новой информации: меняются звуки, движения, освещение, положение объектов и поведение окружающих. Чтобы быстро ориентироваться в этом потоке, ему недостаточно просто анализировать каждый новый сигнал отдельно. Новое исследование нейробиологов Массачусетского технологического института показывает, что мозг постоянно сравнивает происходящее сейчас с тем, что произошло буквально несколько мгновений назад.

Ученые обнаружили нейронную цепь, которая передает в область мозга, связанную с принятием решений, информацию о том, насколько текущая ситуация отличается от предыдущей. Благодаря этому механизму мозг может оценить, имеет ли смысл придерживаться уже выбранной стратегии или пришло время пересмотреть ее. Работа опубликована в журнале Science и помогает лучше понять фундаментальные принципы восприятия и поведения.

Исследователей заинтересовало взаимодействие двух областей мозга. Первая — передняя поясная кора, или ACC, расположенная в лобной части мозга и участвующая в оценке информации, контроле поведения и принятии решений. Вторая — область таламуса, называемая у человека подушковидным ядром, а у мышей латеральным задним таламусом, или LP.

Таламус часто представляют как своеобразный распределительный центр сенсорной информации. Он получает сигналы от различных систем организма и передает их в кору головного мозга, однако современные исследования показывают, что его функции гораздо сложнее простого перенаправления данных. Некоторые его участки могут участвовать в отборе значимой информации, контроле внимания и сравнении сенсорных событий.

Ранее подушковидное ядро в основном связывали с визуальным вниманием и фильтрацией поступающих сигналов. Новая работа показывает дополнительную функцию: эта структура способна отслеживать, насколько текущий сенсорный сигнал отличается от недавно полученного, и передавать результат сравнения в переднюю поясную кору. Уже там эта информация используется для выбора дальнейшего поведения.

Такой принцип работы имеет очевидный биологический смысл. Если окружающая обстановка практически не изменилась и предыдущее решение оказалось правильным, организму выгоднее продолжать действовать тем же способом. Если же ситуация резко изменилась, мозгу необходимо быстрее отказаться от старой стратегии и сформировать новую.

Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи обучили лабораторных мышей выполнять зрительное задание, напоминающее простую компьютерную игру. На экране перед животными двигалось множество точек, причем часть из них перемещалась преимущественно влево или вправо. Мышам необходимо было определить общее направление движения.

Сложность испытаний постоянно менялась. В одном случае большинство точек могли отчетливо двигаться в одном направлении, а в другом согласованность движения была значительно ниже. Кроме того, направление и степень выраженности сигнала изменялись от одного испытания к следующему, что позволило ученым отслеживать, насколько сильно новая ситуация отличалась от предыдущей.

Поведение животных показало, что мыши действительно использовали недавний опыт. Если предыдущее решение было правильным, а новый зрительный сигнал оставался похожим, животное с большей вероятностью повторяло прежний выбор. Если же изображение существенно менялось, вероятность смены решения возрастала.

После ошибки стратегия оказывалась другой. Если новый стимул был похож на тот, который только что привел к неправильному ответу, мыши чаще отказывались повторять прежний выбор. Но если новый сигнал существенно отличался от предыдущего, старое решение снова могло оказаться приемлемым.

Таким образом, мозг животных реагировал не просто на направление движения точек. Он одновременно учитывал как текущую сенсорную информацию, так и историю предыдущего испытания. Для исследователей это стало важным признаком того, что внутри мозга существует механизм сравнения последовательных событий.

Чтобы определить, какую роль играет цепь между LP и передней поясной корой, ученые использовали двухфотонную микроскопию. Этот метод позволяет наблюдать активность отдельных нейронов в живом мозге по изменениям концентрации кальция, тесно связанным с электрической активностью нервных клеток.

Одновременно исследователи применяли оптогенетику — технологию, позволяющую управлять активностью определенных нейронов с помощью света. Искусственно изменяя работу соединений между таламусом и передней поясной корой, ученые могли проверить не только наличие корреляции, но и причинную роль этой цепи в поведении.

Эксперименты показали, что вмешательство в работу LP-ACC действительно меняло решения мышей. При этом величина изменения поведения зависела от того, насколько текущий зрительный стимул отличался от предыдущего. Чем больше была разница между двумя последовательными ситуациями, тем заметнее становился эффект нарушения цепи.

Это особенно важно, поскольку позволяет предположить, что LP не просто передает зрительную информацию дальше. Он кодирует именно изменение — своего рода величину сенсорного расхождения между тем, что происходило только что, и тем, что происходит сейчас. Передняя поясная кора затем использует этот сигнал для формирования окончательного решения.

Функции двух областей при этом оказались различными. Латеральный задний таламус, по данным исследования, не принимает решение самостоятельно. Он скорее сообщает лобной коре, насколько изменился сенсорный мир, а уже ACC преобразует эту информацию в нейронную активность, связанную с будущим выбором животного.

Такой механизм можно сравнить с системой предупреждения об изменениях. Пока окружающая ситуация остается стабильной, мозг может опираться на прежнюю модель происходящего и не пересматривать ее при каждом новом сигнале. Когда расхождение становится достаточно большим, появляется основание обновить предположение и изменить поведение.

Подобный принцип способен значительно экономить вычислительные ресурсы нервной системы. Если бы мозг каждый раз начинал анализ окружающего мира с нуля, обработка информации была бы медленнее и энергозатратнее. Использование недавнего прошлого позволяет строить непрерывную модель среды и корректировать ее только тогда, когда появляется достаточно новых данных.

В повседневной жизни человек постоянно использует похожий механизм. Если автомобиль впереди движется с постоянной скоростью, мозг автоматически прогнозирует его дальнейшее положение. Если машина внезапно тормозит или перестраивается, резкое изменение сигнала заставляет систему внимания и принятия решений быстро обновить прогноз.

То же происходит при разговоре, ходьбе по оживленной улице или наблюдении за движущимся объектом. Мозг формирует ожидания на основе только что полученной информации и постоянно проверяет, совпадает ли новое восприятие с этими ожиданиями. Чем сильнее расхождение, тем выше вероятность изменения поведения.

Исследование представляет интерес и для изучения аутизма. У части людей с расстройствами аутистического спектра наблюдаются особенности обработки повторяющихся сенсорных стимулов и формирования ожиданий относительно окружающего мира. Сигналы, которые большинство людей быстро начинает воспринимать как предсказуемые и малозначимые, могут оставаться более заметными или труднее фильтроваться.

Авторы подчеркивают, что результаты экспериментов на мышах нельзя напрямую переносить на сложные особенности человеческого поведения. Тем не менее сходство основных структур мозга делает цепь между подушковидным ядром и передней поясной корой перспективной моделью для дальнейшего изучения того, как мозг сопоставляет ожидания с новыми сенсорными данными.

Обнаруженный механизм также связан с более широкой идеей предсказательной работы мозга. Согласно современным теориям нейробиологии, мозг не является пассивным приемником информации. Он постоянно строит прогнозы о том, что должно произойти дальше, а поступающие сигналы использует для подтверждения или корректировки этих прогнозов.

Главные элементы обнаруженного механизма можно представить в одну строку: получение нового сенсорного сигнала, сравнение его с предыдущим событием, оценка степени изменения в таламусе, передача этой информации в переднюю поясную кору, сохранение прежнего решения или выбор новой стратегии.

Новая работа показывает, что даже решение, кажущееся мгновенной реакцией на происходящее, на самом деле основано на короткой истории предыдущих событий. Мозг оценивает настоящее не изолированно, а в контексте того, что только что видел, слышал или ощущал.