Человеческий мозг постоянно воспринимает информацию о мире через зрение, осязание, слух и другие органы чувств. Влиятельные теории в нейронауке и психологии предполагают, что она также предвосхищает поступающую сенсорную информацию, готовясь к обработке того, что мы, вероятно, увидим или почувствуем в конкретных ситуациях.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT), Северо-Восточного университета, Массачусетской общей больницы и других учреждений недавно провели исследование, изучающее возможную роль верхнего колликулуса — небольшой структуры в среднем мозге — в предсказании предстоящих сенсорных событий.
Их данные, опубликованные в «Nature Neuroscience», показывают, что верхний колликулус не только реагирует на поступающую сенсорную информацию, но и предвосхищает предстоящие сенсорные события.

«Этот проект вырос из более широкой идеи в нейронауке, называемой предиктивной обработкой: мозг не просто ждёт сенсорных сигналов и реагирует на него, он постоянно предсказывает, что произойдёт, и готовится к этому», — рассказал Данлей Чен, первый автор статьи, Medical Xpress. Это важно, потому что реагировать после факта — это дорого — и по энергии, и по времени».

Подготовка к неминуемым событиям может позволить мозгу быстрее реагировать и эффективнее использовать доступные ресурсы. Чен и её коллеги выдвинули гипотезу, что верхний колликулус может участвовать в предвкушении сенсорных событий, и решили проверить эту идею.

 Ученые хотели ответить на два вопроса. Во-первых, организован ли человеческий верхний колликулус так, как показывают исследования на животных, с сосредоточенным зрением в верхних слоях и прикосновением в более глубоких слоях? Во-вторых, как он реагирует до появления сенсорного стимула, когда он ожидается?
Чтобы изучить возможную роль верхнего колликуляса в предвидении сенсорных событий, Чен и её коллеги провели эксперимент с участием 80 взрослых участников. Во время этого эксперимента они показывали фотографии половине участников и оказывали давление на большой палец левой половины другой половины, при этом фиксируя активность в их мозге с помощью современной техники визуализации.

В исследовании использовали сверхвысокопольное МРТ 7-Тесла, которое дало разрешение около 1 мм (по сравнению со стандартным разрешением 2–3 мм от МРТ 3-Тесла). Такой уровень детализации нужен для сравнения слоёв в конструкции примерно 6 мм с каждой стороны. Участников просканировали во время задания, в ходе которого половина получала визуальную стимуляцию (фотографии), а другая половина — соматосенсорную стимуляцию (давление на большой палец).

До того как участникам показали изображение или они почувствовали давление на большие пальцы, они проходили короткий этап, в котором либо выбирали форму, либо компьютер выбирал для них её. Поскольку то, что участники видели и делали в этот период, было одинаковым в обеих группах, исследователи могли проверить, ожидает ли их мозг уже предстоящую картинку или прикосновение.

Предыдущие исследования на нечеловеческих приматах показали, что верхние колликулярные нейроны активируются до движения глаза, когда животное готовится смотреть на ожидаемую цель. Новые данные показывают, что у человека верхний коликулус также предугадает входящий сенсорный сигнал и определяет, через какое чувство он придёт.

Изображения стимулировали большую активность в поверхностных слоях верхнего колликулуса, а прикосновение — в более глубоких слоях. Что ещё важнее, тот же узор, специфичный для слоёв, проявлялся ещё до появления стимула, когда люди ожидали только картинку или прикосновение»
В рамках своего исследования учёные также обучили классификатор машинного обучения — алгоритм, который учится распознавать закономерности в данных, чтобы отличать активность высшего колликулуса во время фотографий от активности при нажатии большого пальца. Эта модель выявила схожие паттерны мозговой активности до того, как у участников были активны чувства.

Команда обнаружила, что активность в верхнем колликулусе человека при предвкушении ощущений и его переживании демонстрирует схожие закономерности по всему слою. Похожий узор наблюдался и в двух областях таламуса — крупной яйцевидной структуре глубоко в мозге.
Эти две области, известные как сенсорные ядра, поддерживают обработку визуальных и тактильных стимулов соответственно. Оба этих ядра демонстрировали предсказательные сигналы, соответствующие типу стимуляции, которую ожидали участники.
Результаты экспериментов показывают, что более глубокие структуры мозга, передающие сенсорную информацию коре для дальнейшей обработки, также являются частью более широкой мозговой сети, готовящейся к тому, что грядёт. Это говорит о том, что предсказание — это не то, что кора добавляет поверх сенсорной обработки. Он устроен по всему мозгу, что логично для функции, столь важной для выживания.

Результаты этого исследования дают новое понимание возможной роли человеческого ствола мозга — стеблеобразной структуры, соединяющей мозг с спинным мозгом, — в предсказании сенсорных стимулов. Ствол мозга — это эволюционно древняя часть мозга с базовой организацией, которая сохраняется у всех позвоночных (животных с позвоночником).

Чен и её коллеги сейчас планируют провести дополнительные исследования, направленные на дальнейшее изучение вклада верхней колликулусы и других мелких структур мозга в обработку сенсорных стимулов, когнитивного контроля, эмоций и различных других функций.
Сейчас команда Чена работает над пониманием её роли в рабочей памяти, ведь удержание информации в голове и использование её для руководства действиями в своей основе является связующим звеном между тем, что мы ощущаем, и тем, что мы делаем, и именно для этого создан высший колликулус. Ученые надеются, что эта работа поможет расширить технические границы человеческой нейровизуализации и даст нам более полное представление о том, на что способен весь мозг.