Основные механизмы зрительного внимания возникли более 500 миллионов лет назад
Мозгу не нужна его сложная кора для интерпретации зрительного мира. Исследование, опубликованное в PLOS Biology, показывает, что более древняя структура — верхнее двухолмие — содержит необходимые нейронные цепи для выполнения фундаментальных вычислений, позволяющих отличать объекты от фона и определять, какие стимулы в пространстве являются значимыми.
Эта работа раскрывает, что эти эволюционно древние цепи, присутствующие в мозге всех позвоночных, могут независимо генерировать центр-окружение взаимодействия — ключевой зрительный принцип, позволяющий мозгу обнаруживать контрасты, границы и важные особенности в окружающей среде.
«Десятилетиями считалось, что эти вычисления являются исключительной прерогативой зрительной коры. Но мы показали, что верхнее двухолмие, гораздо более древняя структура в эволюционном плане, также может выполнять их автономно», — объясняет Андреас Кардамакис, руководитель исследования.
«Это означает, что способность анализировать то, что мы видим, и решать, что заслуживает нашего внимания, — не недавнее изобретение человеческого мозга, а механизм, появившийся более полумиллиарда лет назад».
«Радар» в мозге, который расставляет приоритеты
Верхнее двухолмие действует как своего рода биологический радар. Оно получает прямой сигнал от сетчатки и, ещё до того как информация достигнет коры головного мозга, определяет, какие стимулы в окружающей среде наиболее значимы. Когда что-то движется, блестит или внезапно появляется в поле зрения, эта структура первой реагирует и направляет взгляд в эту точку.
В исследовании использовались современные экспериментальные техники, включая паттернную оптогенетику, электрофизиологию и компьютерное моделирование. Активируя светом специфические проекции сетчатки в срезах мозга мыши, команда наблюдала, что верхнее двухолмие может генерировать подавление центрального стимула при активации окружающей области — характерный паттерн для центр-окружение взаимодействий.
«Мы увидели, что верхнее двухолмие не только передаёт зрительную информацию, но и активно обрабатывает и фильтрует её, снижая реакцию на однородные стимулы и усиливая контрасты», — говорит Куйсонг Сонг, соавтор работы. — «Это демонстрирует, что способность отбирать или расставлять приоритеты в зрительной информации заложена в древнейших подкорковых цепях мозга».
Эволюционные и когнитивные последствия
Эти результаты бросают вызов классическому взгляду, согласно которому сложные зрительные операции являются исключительной областью коры. Они указывают на более распределённую и иерархическую организацию мозга, где древние структуры не только ретранслируют информацию, но и выполняют важные для выживания вычисления, такие как обнаружение хищников, отслеживание добычи или избегание препятствий.
«Понимание того, как эти древние структуры влияют на зрительное внимание, также помогает понять, что происходит, когда эти механизмы дают сбой», — отмечает Кардамакис. — «Расстройства, такие как дефицит внимания, сенсорная гиперчувствительность или некоторые формы черепно-мозговой травмы, могут частично происходить из-за дисбаланса между корковой коммуникацией и этими фундаментальными цепями».
Его команда теперь переносит эти находки в in vivo модели, чтобы исследовать, как верхнее двухолмие формирует зрительное внимание и регулирует отвлечения во время целенаправленного поведения.
Исследование — результат международного сотрудничества с участием Каролинского института, KTH Royal Institute of Technology (Швеция) и Массачусетского технологического института (MIT, США).
Общая эволюционная основа зрительного внимания
В русле этой работы Андреас Кардамакис и Джованни Уссельо опубликовали главу в серии «Эволюция нервных систем», расширяющую сравнительную и эволюционную перспективу этих подкорковых зрительных цепей.
В главе подчёркивается, что эта архитектура мозга, сохранявшаяся на протяжении более 500 миллионов лет эволюции, формирует общий фундамент, на котором кора позже развила свои высшие когнитивные функции.
«Эволюция не заменила эти древние системы; она строила поверх них», — говорит Кардамакис. — «Мы до сих пор полагаемся на то же базовое «железо», чтобы решить, куда смотреть и что игнорировать».