Что происходит в мозге, когда наши чувства не совпадают с ожиданиями — например, когда мы делаем шаг, но звука нет, или он задерживается, искажён или вовсе отсутствует? Почему иногда ощущение реальности не совпадает с тем, что мы предвидели, и как мозг справляется с этими неожиданностями?
Исследование нейробиологов из FMI
Недавнее исследование нейробиологов из Института биомедицинских исследований имени Фридриха Мишера (FMI) проливает свет на процессы, происходящие в мозге в такие моменты сенсорного удивления. Понимание этих механизмов важно не только для общей науки о работе мозга, но и открывает перспективы в диагностике и лечении психиатрических заболеваний, связанных с нарушениями восприятия.
Механизм предсказания и ошибка предсказания
Наш мозг постоянно строит предсказания на основе собственных движений и накопленного опыта: мы ожидаем услышать определённый звук при шаге, увидеть изменение в окружающей среде при движении и так далее. Когда реальные сенсорные данные не совпадают с этими предсказаниями — возникает так называемая ошибка предсказания. Именно эти расхождения активируют специфические нейронные сигналы, позволяя мозгу оперативно реагировать и корректировать восприятие.
Эксперимент на мышах: звуковые и визуальные несоответствия
Ранее группа исследователей под руководством профессора Келлера в FMI уже обнаружила, что у мышей при резкой остановке визуального потока в виртуальном туннеле возникает мощный сигнал ошибки предсказания в зрительной коре. Однако оставался вопрос, является ли эта реакция уникальной для зрительной системы или аналогичные процессы задействованы и в других сенсорных областях мозга.
Для выяснения этого вопроса научный сотрудник Магдалена Солига разработала экспериментальную установку, в которой мыши бегали по тёмному коридору, а громкость звука пропорционально увеличивалась с ростом скорости их бега. Иногда звук намеренно приглушался, создавая несоответствие между ожидаемым и реальным звуковым сигналом.
Результаты показали, что нейроны в слуховой коре реагировали на такие звуковые расхождения очень интенсивно. Это говорит о том, что механизм обработки ошибки предсказания не ограничен одной сенсорной системой, а является общей функцией мозга.
Комбинированные сенсорные несоответствия и их влияние на мозг
Далее учёные усложнили эксперимент, вводя одновременно несоответствия как в зрении, так и в слухе: визуальный поток и звук одновременно были связаны с бегом мыши, но периодически оба прерывались. Результатом стала сильнейшая реакция мозга, значительно превышающая сумму индивидуальных ответов на отдельные сенсорные ошибки.
«Некоторые нейроны активировались исключительно при одновременном появлении обеих несостыковок, — поясняет Солига. — Это свидетельствует о том, что мозг интегрирует различные виды сенсорных сигналов в сложной, нелинейной манере, обрабатывая ошибки предсказания не раздельно, а комплексно.»
Тестирование на людях и перспективы клинического применения
Сейчас исследовательская группа начинает аналогичные тесты на людях, чтобы понять, как эти механизмы работают в человеческом мозге. Это важный шаг для применения результатов в клинической практике.
Одной из главных долгосрочных целей работы является разработка надёжных биомаркеров для диагностики психиатрических заболеваний, таких как шизофрения и другие психозы. Известно, что у таких пациентов реакции мозга на сенсорные несоответствия часто аномальны или вовсе отсутствуют.
Регистрация и анализ мозговых сигналов ошибок предсказания могут стать объективным инструментом для раннего выявления болезней, оценки их тяжести и эффективности лечения, что гораздо лучше, чем полагаться только на субъективные симптомы, которые сами пациенты сообщают врачу.
Технические сложности и дальнейшие шаги
Однако переход от лабораторных экспериментов к повседневной клинической практике сопряжён с техническими сложностями. Одной из основных проблем является регистрация мозговой активности в условиях движения — любые движения тела создают шум и мешают точным замерам ЭЭГ, используемой для мониторинга. Тем не менее команда FMI уже провела пилотные тесты на 17 здоровых взрослых и планирует расширить выборку до 50 участников, чтобы получить более достоверные данные.
«Мы пока не знаем, как именно усиливается реакция мозга на одновременные ошибки предсказания: происходит ли это через прямое взаимодействие между сенсорными зонами или же существует отдельная область мозга, которая получает и интегрирует информацию обо всех несоответствиях», — отмечает Солига. Исследователям предстоит ответить на этот и другие вопросы, чтобы полноценно понять, как мозг обрабатывает неожиданные сенсорные события.
Значение исследования для науки и медицины
Таким образом, это исследование не только углубляет наши знания о том, как работает мозг и как он обрабатывает информацию из окружающего мира, но и имеет важное прикладное значение. Улучшение диагностики психических заболеваний и разработка новых терапевтических подходов может стать значительным шагом вперёд в медицине, опирающейся на нейробиологические механизмы.