Исследование проливает свет на то, как мозг отличает новые стимулы от старых
Кора головного мозга — крупнейшая часть мозга млекопитающего, а по некоторым меркам и самая важная. У людей, в частности, именно там происходит большинство вещей — восприятие, мышление, хранение памяти и принятие решений.
Одна из современных гипотез предполагает, что основная роль коры головного мозга заключается в прогнозировании того, что произойдет в будущем, путем идентификации и кодирования новой информации, которую она получает из внешнего мира, и сравнения ее с тем, что ожидалось.
Исследование, опубликованное в журнале Neuron, делает большой шаг к доказательству этой гипотезы. Ведущий автор статьи — Юрий Шимкив, научный сотрудник в лаборатории профессора Рафаэля Юсте.
«Мы обнаружили, что кора головного мозга действует как машина памяти, кодируя новый опыт и предсказывая ближайшее будущее», — сказал Шимкив.
«Это исследование дает глубокое понимание роли коры головного мозга и таких заболеваний, как шизофрения, при которых кора, по-видимому, дает сбои», — сказал Юсте, отметив, что оно также помогает прояснить важные процессы, происходящие в нормальном мозге.
«Новизна — это разница между тем, что вы предсказали, и тем, что произошло на самом деле. Это исследование показывает, что кора головного мозга постоянно обнаруживает новые стимулы, чтобы изменить и улучшить свои прогнозы будущего. Обнаружение новизны — важнейшая функция для людей и других животных».
Команда начала свое исследование с разработки исследования, чтобы определить, как мыши реагируют на смесь знакомых и новых сенсорных стимулов. Стимулами в эксперименте были звуки, воспроизводимые на разных высотах. После визуализации слуховой коры мышей, части коры головного мозга, которая обрабатывает звук, они обнаружили, что группы нейронов реагировали не только на то, какой звук воспроизводился, но и на то, насколько он был новым.
Интересно, что они обнаружили, что каждый звук оставляет след нейронной активности, который они называют «эхо», которое отслеживает сенсорные входы с течением времени и формирует кратковременные воспоминания о недавних входах. Эти отголоски активности не только обеспечивают, чтобы каждый входящий стимул приводил к уникальной реакции, но и служат для выбора новых стимулов, в результате чего эти реакции становятся намного сильнее.
Чтобы углубить понимание этих результатов, команда построила модель нейронной сети слуховой коры и обучила ее обнаруживать новые стимулы. Она повторила то, что они видели у мышей, показав, что сети нейронов также используют «эхо» активности для хранения модели окружающей среды и используют ее для обнаружения изменений.
Они пришли к выводу, что структура коры головного мозга, состоящая из петель связанных нейронов, делает обнаружение новизны автоматическим возникающим свойством сети.
«Это шаг вперед в понимании того, как мозгу удается так хорошо распознавать новизну», — сказал Юсте, отметив, что модель, созданная Шимкивом, основана на идеях Джона Хопфилда, который в 2024 году получил Нобелевскую премию за создание моделей нейронных сетей и новаторство в области искусственного интеллекта.
Исследование также предлагает новое понимание основной роли, которую кора головного мозга играет в шизофрении. Клиницисты уже много лет знают, что люди с шизофренией не умеют отличать новую информацию от старой.
Ученые попытались объяснить эти результаты, интерпретируя поведение отдельных нейронов, но в итоге столкнулись с трудностями. Одним из основных открытий этой статьи является ее открытие того, что обнаружение новизны — это работа не отдельных нейронов, а нейронных сетей.
«Мы очень рады, что эти результаты могут углубить наше понимание этой важнейшей части мозга, а также потенциально предоставить важную информацию о случаях, когда эти функции выходят из строя, и о способах их исправления», — сказал Юсте.