Нейронная сеть, подавляющая отвлекающую сенсорную информацию, помогает понять, как работают внимание и другие когнитивные процессы.
Мы обращаем внимание лишь на небольшую часть информации, поступающей к нам от органов чувств.
Новые результаты исследования помогают понять, как мозг отфильтровывает наименее интересные ощущения в любой момент времени.
Мы можем слушать разговор в шумной комнате среди других голосов, которые становятся то тише, то громче, или на фоне гула кондиционера.
Мы можем заметить связку ключей в море мусора или енота, бегущего по машине.
Иногда, даже имея так много информации, заполняющей наши чувства, мы можем сосредоточиться на том, что для нас важно, и действовать соответственно.
Процессы переключения внимания помогают мозгу включить «прожектор», связанный с нужным стимулом, и отфильтровать все остальное.
Нейробиологи хотят идентифицировать нейронные сети, которые направляют и подпитывают этот свет. Их десятилетия исследований были сосредоточены на коре головного мозга — волнистой структуре на поверхности мозга, обычно связанной с интеллектом и работой ума.
Стало ясно, что активность коры усиливает обработку сигналов, позволяя сосредоточиться на вещах, которые нас интересуют. Однако сегодня некоторые исследователи пробуют другой подход, изучая, как мозг подавляет информацию, а не как он ее добавляет. Что еще более важно, они обнаруженный что этот процесс затрагивает более старые и более глубокие части мозга — области, которые редко связаны с вниманием.
Из-за этого ученые невольно начали постепенно продвигаться к лучшему пониманию того, насколько глубоко и неразрывно переплетены тело и разум – через автоматическое восприятие ощущений, физических движений и сознания более высокого уровня.
Охота на нейронные сети
Внимание казалось настолько тесно связанным с сознанием и другими сложными функциями мозга, что долгое время ученые считали его прежде всего проявлением коры головного мозга.От этой идеи впервые серьезно отказались в 1984 году, когда Фрэнсис Крик, известный своими работами по структурам ДНК, предположил, что «прожектор внимания» контролируется глубокой областью мозга, называемой таламус , часть которого получает поступающие данные от органов чувств и передает их в кору.
Он разработал теорию, согласно которой сенсорный таламус функционирует не просто как передатчик, но и как страж — не только мост, но и решето, — удерживающее часть потока информации для установления определенного уровня концентрации.
Однако по прошествии десятилетий попытки определить ответственный механизм потерпели неудачу, отчасти потому, что изучение внимания животных в лаборатории чрезвычайно сложно.
Майкл Халасса, нейробиолог Массачусетского технологического института
Это не остановило Майкл Халасу , нейробиолог из Института исследований мозга.
Макговерн в Массачусетском технологическом институте.
Он хотел точно определить, как фильтруются сенсорные данные, прежде чем эта информация достигнет коры головного мозга, и обнаружить конкретную нейронную сеть, которая, по мнению Крика, делает это.
Его привлек тонкий слой тормозных нейронов, «сетчатое ядро таламуса» (СЯТ), которое служит оболочкой таламуса.
К тому времени, когда Халасса стал постдоком, он уже нашел примерный механизм скрининга: SAT позволял получать сенсорную информацию, когда животное бодрствовало и обращало внимание на какой-то аспект окружающей среды, но блокировал ее, когда оно спало.
В 2015 году Халасса и коллеги обнаруженный еще более тонкий уровень скрининга, позволивший еще более уверенно отнести СНТ к давно разыскиваемой нейронной сети — и на этот раз он был связан с тем, как животные выбирают, на чем сосредоточить внимание, когда их внимание разделено между несколькими органами чувств.
В исследовании использовались мыши, обученные бегать по сигналу как мигающего света, так и звука.
Затем ученые предъявляли животным одновременно несколько противоречивых команд из света и звука, намекая при этом, какой сигнал им следует игнорировать.
Реакция мышей показала, насколько эффективно они смогли сконцентрироваться.
В эксперименте ученые использовали хорошо зарекомендовавшие себя методы отключения активности в различных частях мозга, чтобы увидеть, когда это помешает животным эффективно функционировать.
Как и ожидалось, решающую роль сыграла префронтальная кора, которая передает команды высокого уровня другим частям мозга.
Однако команда также обнаружила, что если в эксперименте мышам приходилось обращать внимание на зрение, отключение нейронов зрительного STN мешало им работать.
Кроме того, когда эти нейроны были отключены, мышам было трудно сконцентрироваться на звуке.
По сути, нейронная сеть поворачивала ручки тормозных, а не возбуждающих процессов, а СНТ подавляла информацию, которую префронтальная кора считала отвлекающей.
Если бы мыши нужно было расставить приоритеты в отношении слуховой информации, префронтальная кора подавала бы сигнал зрительному STN увеличить активность для подавления зрительного таламуса, что отключило бы поток ненужной зрительной информации.
Оказалось, что метафора внимания как прожектора работает наоборот: мозг не увеличивает «освещенность» интересующего его стимула, а «приглушает освещенность» всего остального.
Несмотря на успех исследования, учёные столкнулись с проблемой.
Они подтвердили подозрения Крика: префронтальная кора контролирует фильтр таламуса для поступающей сенсорной информации.
Однако префронтальная кора не связана напрямую с сенсорными частями STN. Часть нейронной сети отсутствовала.
До не давнего времени.
Теперь Халасса и его коллеги наконец расставили последние кусочки головоломки по местам, и результаты многое говорят о том, как изучается внимание.
Мы блокируем, затеняем, моргаем
Используя эксперименты, аналогичные тем, которые они проводили в 2015 году, члены команды исследовали функциональное взаимодействие разных участков мозга, а также нейронные связи между ними.Они обнаружили, что вся нейронная сеть простирается от префронтальной коры до более глубоких структур.
базальный ганглий (часто связан с моторикой и многими другими функциями), затем переходит в STN и таламус, а затем возвращается в высшие области коры.
Так, например, зрительная информация, поступающая от глаз к зрительному таламусу, может быть перехвачена практически мгновенно, если она не имеет отношения к выполняемой задаче.
Базальные ганглии могут вмешаться и активировать STN для фильтрации внешних стимулов в соответствии с инструкциями префронтальной коры.
«Это интересный путь обратной связи, который, я думаю, никто раньше не описывал», — сказал он.
Ричард Крауклис , нейробиолог из Национального института глаз при Национальном институте здравоохранения в Мэриленде, который не принимал участия в исследовании.
Более того, исследователи обнаружили, что этот механизм не просто отфильтровывает одно чувство, чтобы привлечь внимание к другому: он также фильтрует информацию внутри этого одного чувства.
Когда мышам предлагали обратить внимание на определенные звуки, SAT помогал подавить посторонний фоновый шум в аудиосигнале.
Результат обработки сенсорной информации «может быть гораздо более точным, чем просто подавление всей таламической области для одной сенсорной модальности, что является довольно грубой формой подавления», сказал он.
Дудже Тадин , нейробиолог из Рочестерского университета.
«Мы часто не обращаем внимания на то, как избавляемся от менее важных вещей», — добавил он.
«И я думаю, что есть более эффективный способ обработки информации».
Если вы находитесь в шумной комнате, попробуйте повысить голос, чтобы вас услышали, или попытаться устранить источник шума.
Тадин изучает подавление фоновых эффектов в других процессах, которые происходят автоматически и также быстрее, чем избирательное внимание.
Результаты Халасса показывают, что мозг отключает внешнюю информацию раньше, чем считалось ранее.
«Что интересно», — сказал Ян Фибелькорн , когнитивный нейробиолог из Принстонского университета, «фильтрация начинается на этом самом первом этапе, еще до того, как информация достигнет зрительной коры».
В стратегии мозга по отбрасыванию сенсорной информации есть очевидная слабость, а именно, опасность того, что отброшенные данные могут оказаться неожиданно важными.
Работа Фибелькорна предполагает, что у мозга есть способ застраховаться от подобных рисков.
Фибелькорн говорит, что люди думают о прожекторе внимания как о постоянном луче света, освещающем те места, куда животное должно направить свои когнитивные ресурсы.
«Но мои исследования показывают, что это не так», — сказал он.
«Видимо, этот прожектор мигает».
Согласно его выводам, направленность внимания ослабевает примерно четыре раза в секунду, предположительно, для того, чтобы животное не слишком концентрировалось на одном месте или одном стимуле.
Это кратковременное подавление важной информации стимулирует периферические стимулы и дает мозгу возможность при необходимости переключить внимание на что-то другое.
«Похоже, что мозг устроен так, что его работа периодически прерывается», — сказал он.
Фибелькорн и его коллеги изучают подкорковые области, чтобы раскрыть структуру нейронных сетей.
Пока они изучают роль другого отдела таламуса, но в будущем, как и команда Халасса, планируют работать над базальными ганглиями.
Мышление в действии
Эти работы знаменуют собой значительный сдвиг в нейробиологии: когда-то процессы внимания считались исключительной областью коры.Однако, по словам Крауклиса, за последние пять лет "стало немного очевиднее, что все это происходит под коркой".
«Большинство людей хотят, чтобы всю тяжелую работу выполняла кора головного мозга, но я не думаю, что это реалистично», — сказал он.
Джон Маунселл , нейробиолог из Чикагского университета.
Халасса с многоэлектродной решеткой, с помощью которой он и его коллеги следили за активностью мозга.
Открытие Халассой роли базальных ганглиев во внимании особенно интересно.
Частично потому, что это настолько древняя часть мозга, что ее еще не считали частью сети, отвечающей за избирательное внимание.
«У рыб он тоже есть», — сказал Крауклис.
«Вплоть до самых ранних позвоночных, включая миног, у которых даже нет челюсти» (или неокортекса), «по сути, они имеют простую версию базальных ганглиев и некоторые из тех же самых нейронных сетей».
Нейронные сети рыб могут рассказать нам, как развивалось внимание.
Халасса особенно интересуется тем, что связь между вниманием и базальными ганглиями может рассказать о таких заболеваниях, как синдром дефицита внимания и аутизм, которые часто проявляются как гиперчувствительность к определенным сенсорным воздействиям.
Но, пожалуй, самое интересное в участии базальных ганглиев в этих процессах заключается в том, что эта структура обычно связана с контролем движений, а некоторые новые исследования все чаще связывают ее с вознаграждением за обучение, принятием решений и другими типами мотивационных факторов.
поведение.
После работы, проделанной в лаборатории Халассы, роль базальных ганглиев была расширена и теперь включает сенсорный контроль.
Это подчеркивает тот факт, что «на самом деле внимание заключается в переходе от одного предмета к другому в правильном порядке, при этом вы не отвлекаетесь на вещи, которые не должны вас отвлекать», — сказал Маунселл.
«Идея включения в этот процесс двигательных структур имеет смысл — они должны быть в самом центре процесса принятия решений о том, что вы будете делать дальше и на чем вам следует сосредоточить свои сенсорные ресурсы».
Это совпадает со все более популярным взглядом на внимание – и мышление в целом – как на процессы, основанные на т. н.
«активные выводы».
Мозг не просто пассивно собирает информацию из окружающей среды в ответ на полученные внешние раздражители.
Происходит и обратный процесс — небольшие физические движения, такие как моргание, также контролируют восприятие.
Сенсорные и двигательные системы «не работают изолированно, они развивались вместе», — сказал Фибелькорн.
Таким образом, регионы, отвечающие за двигательные навыки, не только помогают формировать выходные параметры (поведение животных); они также помогают формировать входные данные.
Выводы Халассы дают дополнительные аргументы в пользу такой активной роли.
«Восприятие полезно для действия, потому что нам нужно как-то представлять мир, чтобы действовать в нем», — сказал Хелен Слагтер , когнитивист из Амстердамского университета.
«И по большей части мы учимся воспринимать окружающий мир посредством действий».
Большое количество внутренних связей с корой головного мозга позволяет предположить, что помимо контроля внимания «эти подкорковые структуры играют гораздо большую роль в высших когнитивных функциях, чем часто полагают».
Это, в свою очередь, может дать нам представление о сознании — самой неуловимой теме нейробиологических исследований.
Как предполагает исследование Халасса и других, «когда мы изучаем корреляцию нейронных связей и внимания, мы на самом деле в некоторой степени изучаем корреляцию нейронных связей и восприятия», — сказал Маунселл.
«Это часть более широкой истории — попытки понять, как работает мозг».
Слагтер в настоящее время изучает роль базальных ганглиев в сознании.
«Когда мы воспринимаем мир, мы не просто используем наши тела, мы переживаем его благодаря нашим телам.
И мозг выстраивает представление о мире, чтобы осмысленно действовать в нем», — сказала она.
«Поэтому сознательное восприятие должно быть тесно связано с действием», как и внимание.
«Сознание должно быть ориентировано на действие».
Теги: #Популярная наука #нейронные сети #мозг #кора головного мозга #внимание
-
Обзор Фитнес-Трекера Shine
19 Oct, 24 -
Экспериментальный Редизайн Youtube
19 Oct, 24 -
Сервис Backports Становится Официальным
19 Oct, 24 -
Первый Белорусский Barcamp - Bycamp
19 Oct, 24 -
Мышеловка Для Гиков
19 Oct, 24
