Совы помогли учёным раскрыть секрет того, как мозг управляет вниманием
Исследуя сипух, учёные из Университета Джонса Хопкинса сделали важный шаг к разгадке давней тайны: как мозг выбирает, что заслуживает наибольшего внимания.
Это открытие, представленное на обложке журнала Cell Reports, вероятно, применимо ко всем животным, включая человека, и даёт новое представление о том, что идёт не так в мозге при таких расстройствах, как синдром дефицита внимания.
«На наши глаза, уши, кожу и другие органы чувств обрушивается миллион вещей. Какую конкретную информацию нам в каждый момент важнее всего заметить, чтобы управлять своим поведением? Наша работа даёт очень красивый ответ на вопрос, как мозг решает ключевую часть этой проблемы», — сказал соавтор Шриш Майсур, нейробиолог.
Несмотря на десятилетия изучения переднего мозга животных, учёные не нашли хорошего ответа на этот вопрос. Исследователи решили вместо этого изучить средний мозг — эволюционно более древнюю структуру, которая есть у всех от рыб и млекопитающих до птиц и людей.
«Всем животным нужно обращать внимание на то, что может повлиять на их выживание, но не у всех есть высокоразвитый передний мозг», — отметил Майсур.
Исследователи выбрали сов, потому что у них не только острое зрение и слух, но и средний мозг организован так, что относительно легко отслеживать активность конкретных нейронов.
Учёные показывали 15 совам визуальные стимулы на мониторе, одновременно измеряя активность отдельных нейронов в их среднем мозге.
Результат оказался неожиданным. Хотя отдельные нейроны обычно кодируют зрительное пространство топографически (соседние нейроны отвечают за соседние участки мира), здесь обнаружились нейроны, реагирующие сразу на несколько участков, иногда очень удалённых друг от друга.
Чтобы выяснить причину, ведущий автор Нагарадж Махаджан создал модель. Он обнаружил, что если нейронам нужно указывать на самое важное место в мире независимо от того, откуда поступает зрительный сигнал, то единственный способ закодировать пространство, сохраняя метаболические затраты и затраты на «проводку», — это иметь меньше нейронов, чем возможных местоположений, причём каждый нейрон кодирует несколько разных мест. Реальный мозг совы почти идеально соответствовал этим вычислительным предсказаниям.
Оказалось, что нейронов среднего мозга на 40% меньше, чем возможных местоположений. А места, которые кодировали отдельные нейроны, были организованы по комбинаторному принципу, похожему на решение головоломки судоку.
«Это впервые даёт нам ответ на вопрос, как мозг фактически решает проблему выбора среди всех возможных местоположений. Теперь у нас есть удовлетворительный ответ на фундаментальную и универсальную проблему. Есть надежда, что результаты этого исследования могут хорошо обобщаться вплоть до человека», — сказал Майсур.
Команда надеется, что понимание того, как мозг решает задачу внимания на нейронном уровне, позволит делать обоснованные прогнозы о том, что идёт не так при расстройствах, таких как СДВГ.
«Мы полагаем, что эти нейроны среднего мозга могут быть важным ключом к разгадке неспособности концентрироваться. Это фундаментальное исследование, но оно формирует идеи, которые в конечном итоге можно будет проверить на пациентах и, если повезёт, помогут разработать методы лечения», — заключил Майсур.