Наш мозг интерпретирует визуальную информацию, объединяя то, что мы видим, с тем, что мы уже знаем. Исследование , опубликованное в журнале Neuron исследователями из Champalimaud Foundation, раскрывает механизм обучения и хранения этих существующих знаний о мире.

Они обнаружили, что нейроны связаны между собой, чтобы связывать, казалось бы, не связанные между собой концепции. Эта связь может иметь решающее значение для повышения способности мозга предсказывать то, что мы видим, на основе прошлого опыта , и приближает нас на шаг к пониманию того, как этот процесс нарушается при расстройствах психического здоровья.

Как мы учимся понимать окружающую среду? Со временем наш мозг выстраивает иерархию знаний, в которой концепции более высокого порядка связаны с характеристиками более низкого порядка, которые их составляют. Например, мы узнаем, что в шкафах есть ящики, а у далматинцев есть черно-белые пятна, а не наоборот.

Эта взаимосвязанная структура формирует наши ожидания и восприятие мира, позволяя нам определять то, что мы видим, на основе контекста и опыта.

«Возьмем слона», — говорит Леопольдо Петреану, старший автор исследования. «Слоны ассоциируются с атрибутами низшего порядка, такими как цвет, размер и вес, а также с контекстами высшего порядка, такими как джунгли или сафари. Связывание концепций помогает нам понимать мир и интерпретировать неоднозначные стимулы. Если вы на сафари, у вас больше шансов заметить слона за кустами, чем в ином случае».

«Аналогично, зная, что это слон, вы с большей вероятностью будете воспринимать его как серое даже в тусклом свете сумерек. Но где в ткани мозга хранятся эти предшествующие знания и как они усваиваются?»

Зрительная система мозга состоит из сети областей, которые работают сообща, при этом нижние области обрабатывают простые детали (например, небольшие области пространства, цвета, края), а верхние области представляют более сложные концепции (например, более крупные области пространства, животных, лица).

Клетки в более высоких областях посылают « обратные » связи в более низкие области, давая им возможность учиться и встраивать реальные отношения, сформированные на основе опыта.

Например, клетки, кодирующие «слона», могут посылать обратную связь клеткам, обрабатывающим такие характеристики, как «серый», «большой» и «тяжелый». Поэтому исследователи приступили к изучению того, как визуальный опыт влияет на организацию этих проекций обратной связи, функциональная роль которых остается в значительной степени неизвестной.

«Мы хотели понять, как эти проекции обратной связи хранят информацию о мире», — говорит Родриго Диас, один из первых авторов исследования.

«Для этого мы изучили влияние визуального опыта на проекции обратной связи в нижнюю зрительную область, называемую V1, у мышей. Мы вырастили две группы мышей по-разному: одну в нормальной среде с регулярным воздействием света, а другую в темноте. Затем мы наблюдали, как обратные связи и клетки, на которые они нацелены в V1, реагировали на различные области зрительного поля».

У мышей, выросших в темноте, обратные связи и клетки V1, расположенные непосредственно под ними, представляли одни и те же области зрительного пространства.

Первый автор Радхика Раджан говорит: «Было удивительно наблюдать, насколько хорошо совпадали пространственные представления верхних и нижних областей у мышей, выращенных в темноте. Это говорит о том, что мозг имеет врожденную генетическую схему организации этих пространственно выровненных связей, независимую от визуальной информации».

Однако у мышей, выращенных в обычных условиях, эти связи были менее точны, и больше сигналов обратной связи передавали информацию из окружающих областей поля зрения.

Раджан продолжает: «Мы обнаружили, что при визуальном опыте обратная связь обеспечивает более контекстную и новую информацию, повышая способность клеток V1 получать информацию из более широкой области визуальной сцены».

Этот эффект зависел от источника в пределах высшей зрительной области: проекции обратной связи из более глубоких слоев с большей вероятностью передавали окружающую информацию по сравнению с проекциями из поверхностных слоев.

Более того, команда обнаружила, что у нормально выращенных мышей обратные связи глубокого слоя к V1 организуются в соответствии с шаблонами, которые они «предпочитают» видеть, например, вертикальными или горизонтальными линиями. «Например, — говорит Диас, — входы, которые предпочитают вертикальные линии, избегают отправки окружающей информации в области, расположенные вдоль вертикального направления. Напротив, мы не обнаружили такого смещения в связях у мышей, выращенных в темноте».

«Это говорит о том, что визуальный опыт играет решающую роль в тонкой настройке обратных связей и формировании пространственной информации, передаваемой из высших в низшие визуальные области», — отмечает Петреану.

«Мы разработали вычислительную модель , которая показывает, как опыт приводит к процессу отбора, сокращая связи между обратной связью и клетками V1, чьи представления слишком сильно перекрываются. Это минимизирует избыточность, позволяя клеткам V1 интегрировать более разнообразный спектр обратной связи».

Возможно, это противоречит интуиции, но мозг может кодировать полученные знания, соединяя клетки , представляющие несвязанные концепции, и которые с меньшей вероятностью будут активированы вместе на основе реальных моделей. Это может быть энергоэффективным способом хранения информации, так что при столкновении с новым стимулом, например, розовым слоном, предварительно настроенная проводка мозга максимизирует активацию, улучшая обнаружение и обновление прогнозов о мире.

Выявление этого мозгового интерфейса, в котором предыдущие знания объединяются с новой сенсорной информацией, может оказаться ценным для разработки вмешательств в случаях, когда этот процесс интеграции дает сбои.

Как заключает Петреану, «считается, что подобные дисбалансы возникают при таких состояниях, как аутизм и шизофрения. При аутизме люди могут воспринимать все как что-то новое, поскольку предшествующая информация недостаточно сильна, чтобы повлиять на восприятие».

«Наоборот, при шизофрении предыдущая информация может быть чрезмерно доминирующей, что приводит к восприятию, которое генерируется изнутри, а не основано на фактическом сенсорном входе. Понимание того, как интегрируются сенсорная информация и предшествующие знания, может помочь устранить эти дисбалансы».