Как мозъкът ни се справя с изненадите

Нови изследвания отварят прозорец към механизма на мозъка за създаване на прогнози, показвайки как две от областите му работят заедно, когато се случи нещо неочаквано. Освен че предлагат по-задълбочен поглед върху начина, по който главта ни постоянно работи, за да запълни празнините и да отгатне какво ще последва, откритията биха могли да помогнат и на хората, които изпитват затруднения с възприемането на информация от сетивата и обработката ѝ.

„Бях дълбоко очарован от факта, че мозъкът ни функционира като кристално кълбо“, казва първият автор д-р Шохей Фурутачи. „Той използва предварителни знания – това, което невролозите наричат „вътрешен модел“, съхраняван в мозъка – за да предвиди усещанията и резултатите от нашите действия.“

Но какво става, когато тези прогнози се окажат погрешни?

„Когато има несъответствие между очакваното и действителното, мозъкът използва тази информация, за да актуализира вътрешния модел и да насочи вниманието ни към неочаквани събития“, разказва Фурутачи.

Колкото и важен да е този процес, за него се знаеше много малко, което вдъхновява Фурутачи и екипа му да започнат своето изследване.

Те поставят мишки във виртуална реалност (чрез специални очила), след като ги обучават да тичат непрекъснато, като периодично получават награда – ягодово мляко. Докато мишките тичат по „коридор“, експериментаторите въвеждат неочаквани изображения по стените.

Същевременно, с помощта на техника, наречена двуфотонно калциево изобразяване, е регистрирана активността на невроните в първичната зрителна кора – първата спирка за информация от очите.

Така екипът открива, че когато мишките се сблъскват с неочакван стимул, мозъкът избирателно повишава активността на невроните, които са най-настроени към този стимул. Това не е общ сигнал, че „нещо не е наред“ – по-скоро мозъкът обръща внимание конкретно на това, което в зрителната среда е извън неговите предвиждания.

С помощта на оптогенетика – използване на светлина за активиране или заглушаване на групи неврони – екипът успява да стесни нещата до две отделни групи клетки, които са ключови за този сигнал за грешка в предсказването.

„Най-поразителното откритие от нашето изследване е синергичното взаимодействие между неокортекса и таламуса“, казва Фурутачи. „Открихме, че когато специфични инхибиторни интерневрони в неокортекса, известни като VIP неврони, са неактивни, таламокортикалният сигнал потиска кортикалната активност. Когато обаче тези неврони са активни, таламусният сигнал засилва кортикалните реакции.“

„По същество VIP невроните действат като превключвател, активиран от грешките в сензорните прогнози, за да диктуват как таламокортикалните сигнали да взаимодействат с неокортекса.“

Известно е, че неокортексът и таламусът са тясно свързани и дори са еволюирали заедно, но е трудно да се определи как точно си взаимодействат. „В исторически план тази област на изследване е била обект на много дебати и дори с чувство за хумор е била наречена „гробът на амбициозните докторанти“ поради своята сложност и противоречивия характер на резултатите от изследванията“, казва Фурутачи.

„Откриването на това синергично взаимодействие може да разреши някои от тези дългогодишни противоречия и да осигури по-ясно разбиране на начина, по който си взаимодействат тези важни мозъчни региони.“

Изследването е ограничено до мишки, но „тъй като невронните вериги, които изследвахме при мишки, са запазени при хората, очакваме, че откритията наистина могат да се отнесат и за нас“, казва Фурутачи. „Бъдещите проучвания биха могли да потвърдят нашите резултати с помощта на усъвършенствани техники, които позволяват на невролозите да изследват сетивната обработка на хората на ниво отделни клетки, като използват неинвазивни или минимално инвазивни методи.“

Този тип изследвания биха могли да бъдат и много важни за разбирането на състояния и разстройства, които засягат възприятието, като например разстройства от шизофренния спектър.

„Тези разстройства могат да включват неправилни вътрешни модели на света поради намалена сигнализация за грешки в предсказването, което води до неправилно сетивно възприятие дори при липса на сетивен сигнал – тоест, халюцинации“, обяснява Фурутачи.

Обратно, при аутистите разликите в сигнализирането на грешки могат да обяснят свръхчувствителността на сетивата, която много от тях изпитват: „Прекалено точните прогнози или невъзможността за правилно актуализиране на прогнозите могат да доведат до прекомерни сигнали за грешка при прогнозиране и следователно до свръхчувствителност към сетивните стимули, което затруднява игнорирането на несъществени детайли.“

Фурутачи и екипът му сега планират да изследват два от ключовите компоненти на тези сигнали за грешки в прогнозите: как мозъкът изобщо прави своите прогнози и как отбелязва грешките.

„Като хвърляме светлина върху тези основни механизми,“ казва Фурутачи, „ние целим да осигурим фундаментално разбиране за това как ефективно възприемаме света.“