Мозъчната кора е най-голямата част от мозъка на бозайниците и по някои критерии – дори най-важната. При хората именно в нея се осъществяват основни когнитивни процеси като възприятие, мислене, запаметяване и вземане на решения.
Една от съвременните хипотези предполага, че основната роля на мозъчната кора е да прогнозира бъдещето, като разпознава и кодира новата информация, която получава от заобикалящия свят, и я сравнява с очакванията.
Ново изследване, публикувано в списанието Neuron, прави сериозна стъпка към доказването на тази хипотеза. Водещият автор на изследването е Юрий Шимкив, постдокторант в лабораторията на професор Рафаел Юсте.
„Открихме, че мозъчната кора функционира като машина за памет – кодира новите преживявания и прогнозира близкото бъдеще“, казва Шимкив.
„Това изследване дава важни прозрения за ролята на мозъчната кора, както и за заболявания като шизофрения, при които тя не функционира правилно“, добавя Юсте.
„Новото е разликата между това, което си предвидил, и това, което всъщност се е случило. Това изследване показва, че мозъчната кора непрекъснато открива нови стимули, за да усъвършенства прогнозите си за бъдещето. Разпознаването на новостите е критична функция за хората и животните.“
Как изследователите проследяват откриването на новостите в мозъка?
Изследователският екип започва своето проучване, като създава експеримент, за да проследи как мишките реагират на комбинация от познати и нови звукови стимули.
В експеримента мишките били изложени на звуци с различна височина (различни честоти), за да се провери дали техният мозък обработва по различен начин познатите и новите звуци.
Чрез визуализация на аудиалния кортекс – частта от мозъчната кора, която обработва звуковата информация – учените установяват, че групи от неврони реагират не само на самия звук, но и на това дали е нов за тях.
Това означава, че мозъкът на мишките не просто регистрира наличието на звук, а също така преценява дали този звук вече е бил чут преди или е нов. Ако звукът е нов, невроните реагират по-силно, което предполага, че мозъкът има механизъм за откриване на новостите.
Изследователите откриват, че всеки звук оставя следа в невронната активност, която те наричат „ехо“. Това означава, че когато мозъкът чуе определен звук, групи от неврони продължават да бъдат активни дори след като звукът е спрял.
Тази невронна активност действа като временен отпечатък на звука, който помага на мозъка да проследява сензорната информация във времето. По този начин „ехото“ създава краткосрочни спомени на последните звукови стимули, което позволява на мозъка да ги сравнява, разпознава и анализира.
С други думи, това откритие показва, че мозъкът не обработва звуците изолирано, а ги свързва в последователност чрез тези „ехо-сигнали“. Това е ключово за откриването на нови стимули, защото, ако един звук е бил чут скоро, невроните вече имат следа от него. Ако новият звук се различава, реакцията на невроните ще бъде по-силна, което позволява лесно разграничаване между познатото и новото.
Тези невронни ехо-сигнали не само гарантират, че всеки вход (input) предизвиква уникален отговор, но и помагат да се идентифицират новите стимули, като засилвали реакцията към тях.
Използване на изкуствени невронни мрежи за потвърждаване на откритията
За да проверят дали тези ефекти са общ принцип на невронната архитектура, учените създават модел на невронна мрежа, който имитира работата на аудиалния кортекс – частта от мозъка, която обработва звуците.
Какво направили учените?
- Обучили този модел да открива нови стимули – както реалният мозък на мишките разпознава нови звуци.
- Проследили как моделът реагира на познати и нови звукови сигнали.
Какви били резултатите?
- Изкуствената невронна мрежа възпроизвела същите резултати, които учените наблюдавали в мозъците на мишките.
- Мрежата също използвала „ехо“ на предишната активност, за да запомни средата и да разпознава промените.
Учените стигнали до извода, че структурата на мозъчната кора – с взаимосвързани невронни вериги, които образуват повтарящи се връзки („loops“) – автоматично позволява разпознаването на нови стимули.
Това означава, че способността на мозъка да открива новостите не зависи от отделни неврони, а е естествена и функция на цялата невронна мрежа.
„Начинът, по който кортексът е свързан – чрез вериги от неврони, прави откриването на новостите автоматична и естествена функция на мрежата“, обяснява Юсте.
Как това изследване променя разбирането за шизофренията?
Лекарите отдавна знаят, че хората с шизофрения трудно различават новата от старата информация. Досега учените се опитвали да обяснят това чрез поведението на отделни неврони, но срещали трудности.
Настоящото изследване показва, че откриването на новостите не е функция от дейността на единични неврони, а на цели невронни мрежи.
„Това е голям напредък в разбирането на начина, по който мозъкът разпознава новостите“, казва Юсте.
„Ние сме много развълнувани, че тези открития могат да задълбочат разбирането ни за тази ключова част на мозъка и потенциално да дадат нови насоки за коригирането на неправилно функциониращи процеси.“
Източници и публикация
- Автор: Кристофър Ший
- Източник: Колумбийският университет
- Оригинално изследване: „Бавната динамика на мозъчната кора генерира обработка на контекста и откриване на новостите“, от Юрий Шимкив и екипа му, публикувано в Neuron.
- Методология:
- Мозъчната кора усилва отговора на новите стимули и потиска повтарящите се.
- Откриването на новостите е ключово за обработката на сетивната информация и създаването на предсказуеми модели на средата.
- При шизофрения този механизъм е нарушен.
- Заключение: Бавната динамика на повтарящите се невронни мрежи е ключът към предсказуемата обработка и откриването на новостите.
