Ученые выяснили, как мозг делает мгновенный выбор

Когда мы слышим телефонный звонок или лай собаки, то распознаем, это наш телефон или собака либо чужие.  Слышим шаги в ночи — быстро понимаем, ребенок это или злоумышленник. Решение, которое мы принимаем практически мгновенно, определяет, какие действия мы предпримем дальше. 

Каждый день мы принимаем бесчисленные решения, основываясь на звуках, не задумываясь. Но что именно происходит в мозге в таких случаях? Исследование, опубликованное в журнале Current Biology, проливает на это свет. 

Кора разделена на области, которые выполняют разные функции: сенсорные области обрабатывают информацию из окружающей среды, а моторные (моторная кора) — управляют нашими действиями. Удивительно, но сигналы, связанные с будущими действиями, которые логичнее было бы обнаружить только в моторных областях, появляются и в сенсорных. Что сигналы, связанные с движением, делают в областях, отвечающих за сенсорную обработку? Когда и где появляются эти сигналы? 

Исследователи ответили на эти вопросы после того, как провели эксперимент на мышах. Чтобы выяснить, какие сигналы, связанные с будущими действиями, могут происходить в сенсорных областях, ученые определили задачи, которые придется выполнять мышам. 

Предыдущие исследования часто основывались на задачах типа «Go-NoGo», в которых животные сообщали о своем выборе, либо совершая действие, либо не двигаясь, в зависимости от характера стимула. Однако эта установка смешивает сигналы, связанные с конкретными движениями, с сигналами, связанными с движением в целом. Чтобы изолировать сигналы для конкретных действий, специалисты научили мышей выбирать между одним из двух действий. Им нужно было решить, был ли звук высоким или низким по сравнению с установленным порогом, и сообщить о своем решении, облизнув один из двух носиков, левый или правый.

Однако этого было недостаточно. Мыши быстро осваивают эту задачу и часто реагируют, как только слышат звук. Тогда, чтобы отделить активность мозга, связанную со звуком, от активности мозга, связанной с реакцией, исследователи ввели критическую задержку в полсекунды. В течение этого интервала мышам приходилось воздерживаться от своего решения. Эта задержка позволила временно отделить активность мозга, связанную со стимулом, от активности, связанной с выбором, и отследить, как нейронные сигналы, связанные с движением, разворачиваются с течением времени на основе первоначального сенсорного сигнала.

Чтобы проанализировать нейронные представления стимулов и выбора, также было важно разработать эксперимент, который был бы достаточно сложным, чтобы позволить мышам совершать ошибки. 100%-ный показатель успеха стирает различие между стимулом и выбором, поскольку каждый стимул всегда будет вызывать одну и ту же реакцию. Создавая возможность ошибок, можно было бы отделить нейронное кодирование звука от принятых решений. Например, в тех случаях, когда мыши слышали один и тот же тон, но принимали разные решения (правильные или неправильные), ученые могли бы проверить, различается ли активность нейрона в зависимости от двух действий. Если да, то это будет означать, что нейрон закодировал информацию о выборе.

После шести месяцев обучения мышей исследователи, наконец, смогли начать регистрировать нервную активность животных во время выполнения задания. Они сосредоточились на слуховой коре — части коры головного мозга, отвечающей за обработку того, что мы слышим. Кора головного мозга мышей и людей состоит из шести слоев, каждый из которых имеет специализированные функции и особые связи с другими областями мозга. Учитывая, что определенные слои обычно получают сенсорную информацию из областей мозга, в то время как другие отправляют информацию в двигательные центры, авторы работы одновременно записали активность во всех слоях слуховой коры — впервые в такой задаче, как рассматриваемая, когда сенсорные и моторные сигналы могли быть четко разделены.

Ученые обнаружили, что сигналы, связанные с сенсорикой и выбором, демонстрируют различные пространственные и временные закономерности. Сигналы, связанные с обнаружением звука, появлялись быстро, но быстро и исчезали, примерно через 400 миллисекунд после подачи звука, и широко распределялись по всем слоям коры. Напротив, сигналы, связанные с выбором, которые указывают на движение, которое мышь собирается совершить, возникли позже, до того, как решение было выполнено, и были сконцентрированы в более глубоких слоях коры.

Однако, несмотря на временное разделение между стимулом и активностью выбора, дальнейший анализ выявил интересную связь: нейроны, которые реагировали на определенную звуковую частоту, также имели тенденцию быть более активными в отношении действий, связанных с этими звуками. 

Также интересно, что ранние сенсорные сигналы в слуховой коре, похоже, не предсказывают окончательный выбор мышей, а сигналы выбора появляются значительно позже. Это говорит о том, что сенсорные сигналы в слуховой коре не вызывают непосредственно действий мышей, а сигналы выбора, вероятно, вычисляются где-то в более высоких областях мозга, участвующих в планировании или выполнении движений, которые затем отправляют свою обратную связь в слуховую кору.

Но если эти сигналы движения не диктуют действия, какую роль они могут играть? Они могут служить для интеграции и передачи информации. Например, корректировать восприятие мозга в соответствии с принимаемым решением, повышая стабильность того, что мы воспринимаем. В качестве альтернативы они могли бы настроить мозг на ожидаемые сенсорные результаты действий, такие как шум, производимый при движении, гарантируя, что наши сенсорные ощущения соответствуют нашим движениям.

Однако эти гипотезы еще предстоит проверить. Нельзя исключать причинную роль, особенно потому что более глубокие слои слуховой коры передают информацию в полосатое тело — часть центра мозга, контролирующую привычки и движения. Будущие исследования будут направлены на то, чтобы определить точное происхождение этих сигналов движения и выяснить, действительно ли они являются причиной того или иного поведения. Рассматриваемое исследование добавило еще одну существенную часть к пазлу, собрав который, ученые смогут понять, как мозг преобразует восприятие в действие.