Учёные обнаружили, что небольшая область мозга готовится к ощущениям ещё до их появления

Американские нейробиологи обнаружили, что небольшая структура в глубине человеческого мозга начинает готовиться к зрительным и тактильным ощущениям ещё до поступления соответствующих сигналов. Исследование 80 добровольцев показало, что её активность зависит от того, ожидает человек изображение или прикосновение. Открытие подтверждает представление о том, что мозг не просто реагирует на окружающий мир, а заранее подготавливает нервные системы к предстоящим событиям.

Исследование провели специалисты Массачусетского технологического института (MIT), Северо-Восточного университета и Массачусетской больницы общего профиля. Главным объектом изучения стало верхнее двухолмие — небольшая парная структура среднего мозга, расположенная в области ствола мозга. Она участвует в обработке сенсорной информации, управлении движениями глаз и ориентации человека в пространстве.

Долгое время верхнее двухолмие рассматривали прежде всего как структуру, реагирующую на поступающие сигналы. Эксперименты на животных показали, что его поверхностные слои особенно чувствительны к зрительной информации, тогда как более глубокие участвуют в обработке прикосновений и других ощущений. Однако подробно изучить подобную организацию у человека было сложно из-за небольших размеров этой области.

Для нового исследования учёные использовали функциональную магнитно-резонансную томографию со сверхвысоким магнитным полем 7 тесла. Такой метод позволил наблюдать изменения активности мозга с пространственным разрешением около 1,1 миллиметра. Это особенно важно для верхнего двухолмия, размер которого в каждом полушарии составляет приблизительно шесть миллиметров.

В эксперименте участвовали 80 взрослых добровольцев, разделённых на две группы по 40 человек. Участникам первой группы показывали изображения, а добровольцы из второй получали механическое давление на большой палец левой руки. Во время выполнения заданий исследователи регистрировали изменения кровотока, связанные с активностью нервной ткани.

Перед каждым воздействием участники выполняли короткое задание с геометрическими фигурами. В одних случаях они самостоятельно выбирали одну из фигур, в других выбор делал компьютер. При этом условия задания до появления основного раздражителя были одинаковыми для обеих групп, что позволило сравнить активность мозга в период ожидания изображения или прикосновения.

Результаты подтвердили различия между слоями верхнего двухолмия. При просмотре изображений более выраженная активность наблюдалась преимущественно в поверхностных слоях, а при воздействии на палец — в глубоких. Наиболее интересным оказалось то, что похожие различия возникали ещё до предъявления зрительного или тактильного раздражителя.

Таким образом, активность верхнего двухолмия отражала не только уже полученную информацию, но и ожидаемый тип будущего ощущения. При этом участники ещё не видели изображения и не испытывали давления на палец. Исследователи предполагают, что такая предварительная настройка помогает мозгу быстрее и эффективнее обрабатывать поступающие сигналы.

Для дополнительной проверки учёные применили алгоритмы машинного обучения. Они обучили компьютерную модель различать характерные распределения активности при зрительной и тактильной стимуляции. Анализ показал, что картины активности во время ожидания и фактического воздействия имеют сходные особенности.

Аналогичные признаки предварительной подготовки обнаружили в двух сенсорных ядрах таламуса — области мозга, участвующей в передаче информации от органов чувств к коре больших полушарий. Это указывает на то, что ожидание сенсорных событий связано не только с работой коры, но и с деятельностью более глубоких структур мозга.

Полученные результаты согласуются с теорией предиктивной обработки информации. Согласно этому подходу, нервная система использует предыдущий опыт и текущую ситуацию для подготовки к вероятным событиям. Такая способность позволяет организму быстрее реагировать на изменения окружающей среды, не ожидая завершения обработки каждого нового сигнала.

Однако исследование имеет ограничения. Во время сканирования учёные не регистрировали движения глаз, поэтому полностью исключить их возможное влияние на наблюдаемую активность нельзя. Кроме того, эксперимент показал подготовку к определённому виду ощущения, но не доказал, что верхнее двухолмие самостоятельно предсказывает содержание конкретного изображения или характеристики прикосновения.

Авторы планируют продолжить исследования этой структуры, в том числе изучить её участие в рабочей памяти и управлении поведением. Новые данные показывают, что небольшие области среднего мозга могут выполнять более сложные функции, чем считалось ранее, и играть заметную роль в подготовке человека к изменениям окружающего мира.