Нейронная сеть, подавляющая отвлекающую информацию от органов чувств, таит в себе ключи к разгадке работы внимания и других когнитивных процессов
Мы обращаем внимание лишь на малую долю информации от органов чувств, поступающей к нам. Новые результаты исследований помогают понять, как мозг в каждый момент времени отфильтровывает наименее интересные ему ощущения
Мы можем прислушаться к разговору в шумной комнате, среди других голосов, становящихся то тише, то громче, или на фоне гудения кондиционера. Мы можем заметить связку ключей в море хлама, или енота, бросившегося наперерез машине. Иногда даже при наличии огромного количества информации, заполняющей наши органы чувств, мы можем концентрироваться на том, что важно для нас, и действовать соответственно.
Процессы переключения внимания помогают мозгу включить «прожектор», связанный с нужным стимулом, и отфильтровать всё остальное. Нейробиологи хотят определить нейросети, направляющие и подпитывающие этот прожектор. Десятилетия их исследования были связаны с корой, волнистой структурой на поверхности мозга, обычно связываемой с интеллектом и работой разума. Стало ясно, что активность коры усиливает обработку сигналов для концентрации на интересующих нас вещах.
Однако сегодня некоторые исследователи пытаются использовать иной подход, изучая, как мозг подавляет информацию, а не как дополняет её. Что важнее, они обнаружили, что в этом процессе задействуются более древние и глубокие участки мозга – участки, которые редко считают связанными с вниманием.
Из-за этого учёные невольно начали постепенно продвигаться к лучшему пониманию того, как глубоко и неразрывно переплетены между собой тело и разум – через автоматическое восприятие ощущений, физические движения и сознание высшего уровня.
Охота на нейросети
Внимание казалось так сильно связанным с сознанием и другими сложными функциями мозга, что довольно долго учёные считали его в первую очередь проявлением работы коры мозга. Впервые от этой идеи серьёзно отошли в 1984 году, когда Фрэнсис Крик, известный своими работами над структурами ДНК, предположил, что «прожектор внимания» контролируется глубоко расположенным регионом мозга под названием таламус, часть которого получает входящие от органов чувств данные и передаёт их в кору. Он разработал теорию, по которой сенсорный таламус работает не просто передатчиком, но и сторожем – не только мостом, но и ситом – сдерживая часть потока данных для установления определённого уровня концентрации.
Однако шли десятилетия, и попытки определить отвечающий за это механизм терпели неудачи – в частности потому, что изучать внимание животных в лаборатории чрезвычайно трудно.
Майкл Халасса, нейробиолог из MIT
Это не остановило Майкла Халассу, нейробиолога из института исследований мозга им. Макговерна при MIT. Он хотел определить, как именно сенсорные данные фильтруются перед тем, как эта информация достигнет коры мозга, обнаружить конкретную нейросеть, которая, по мнению Крика, этим занимается.
Его привлёк тонкий слой тормозных нейронов, «сетчатое ядро таламуса» (СЯТ), служащее оболочкой таламусу. К тому времени, как Халасса стал постдоком, он уже нашёл примерный механизм отсеивания: СЯТ пропускал сенсорные данные, когда животное бодрствовало, и обращало внимание на какой-то аспект окружения, но блокировал их, когда то спало.
В 2015 году Халасса с коллегами обнаружили ещё более тонкий уровень отсева, что позволило ещё увереннее отнести СЯТ к так давно разыскиваемой нейросети – и в этот раз он был связан с тем, как животные выбирают, на чём фокусироваться, когда их внимание разделено между несколькими органами чувств. В исследовании использовались мыши, обученные бегать по указаниям как мигающего света, так и звука. Затем учёные включили животным одновременно несколько конфликтующих команд от света и звука, при этом намекнув им, какой из сигналов следует игнорировать. Реакция мышей показала, насколько эффективно те были способны концентрировать внимание. В эксперименте учёные использовали хорошо зарекомендовавшие себя техники отключения активности в разных частях мозга, чтобы посмотреть, в каких случаях это помешает животным эффективно действовать.
Как и ожидалось, роль префронтальной коры, выдающей другим частям мозга команды высокого уровня, была критически важной. Однако команда также обнаружила, что если в эксперименте мышам нужно было уделять внимание зрению, то отключение нейронов в зрительной СЯТ мешало им действовать. Также при отключении этих нейронов у мышей возникали трудности с концентрацией внимания на звуке. По сути, нейросеть крутила ручки настройки тормозящих, а не возбуждающих процессов, и СЯТ затормаживала информацию, которую префронтальная кора считала отвлекающей. Если мыши нужно было отдать приоритет слуховой информации, префронтальная кора отдавала сигнал зрительной СЯТ на увеличение активности для подавления зрительного таламуса, что отключало поток ненужных зрительных данных.
Оказалось, что метафора с вниманием как прожектором работает наоборот: мозг не усиливает «освещение» интересующего его стимула, а «приглушает освещение» всего остального.
Несмотря на успех исследования, учёные столкнулись с проблемой. Они подтвердили подозрение Крика: префронтальная кора контролирует фильтр таламуса для входящей сенсорной информации. Однако префронтальная кора напрямую не связана с сенсорными частями СЯТ. Части нейросети недоставало.
До недавнего времени. И вот, наконец, Халасса с коллегами поставили на место последние кусочки головоломки, и результаты открыли многое по поводу способов исследования внимания.
Загораживаем, затеняем, мигаем
Используя эксперименты, сходные с теми, что они проводили в 2015-м, члены команды зондировали функциональное взаимодействие различных частей мозга, а также нейронные связи между ними. Они обнаружили, что полная нейросеть тянется из префронтальной коры в более глубокие структуры, базальные ядра (часто связываемые с моторикой и множеством других функций), затем идёт в СЯТ и таламус, а потом возвращается к высшим регионам коры. Так что, к примеру, зрительная информация, идущая из глаз в зрительный таламус, может почти мгновенно оказаться перехваченной, если она не имеет отношения к исполняемой задаче. Базальные ядра могут вмешаться и активировать СЯТ на фильтрацию внешних стимулов, в соответствии с указаниями префронтальной коры.
«Это интересный путь обратной связи, который, по-моему, никто раньше не описывал», — сказал Ричард Крауцлис, нейробиолог из Национального глазного института при Национальных институтах здоровья в Мэриленде, не принимавший участия в исследовании.
Более того, исследователи обнаружили, что механизм не просто отфильтровывает одно чувство, чтобы повысить внимание к другому: он также фильтрует информацию в рамках этого одного чувства. Когда мышам намекали, что нужно уделять внимание определённым звукам, СЯТ помогала подавлять побочный фоновый шум в звуковом сигнале. Результат обработки входящих данных от органов чувств «может быть куда как более точным, чем простое подавление всего региона таламуса для одной сенсорной модальности, являющееся довольно грубым видом подавления», — сказал Дудже Тадин, нейробиолог из Рочестерского университета.
«Мы часто не обращаем внимания на то, как мы избавляемся от менее важных вещей, — добавил он. – И я думаю, что существует более эффективный способ обращения с информацией». Если вы находитесь в шумной комнате, вы можете попробовать повысить голос, чтобы вас услышали – или же попробовать устранить источник шума. Тадин изучает подавление фоновых эффектов в других процессах, происходящих автоматически, а также быстрее, чем выборочное внимание.
Открытия Халассы говорят о том, что мозг отключает поступающую извне информацию раньше, чем считалось. «Что интересно, — сказал Ян Фибелькорн, когнитивный нейробиолог из Принстонского университета, — фильтрация начинается на этом, самом первом шаге, ещё до того, как информация дойдёт до зрительной коры».
В стратегии мозга по выкидыванию сенсорной информации есть очевидное слабое место – а именно, опасность того, что выброшенные данные могут оказаться неожиданно важными. Работа Фибелькорна говорит о том, что у мозга есть способ страховаться от подобных рисков.
Фибелькорн говорит, что люди представляют себе прожектор внимания как некий постоянный луч света, подсвечивающий те места, в которые животное должно направить свои когнитивные ресурсы. «Но моё исследование показывает, что это не так, — сказал он. – Судя по всему, этот прожектор мигает».
Согласно его открытиям, фокус прожектора внимания становится слабее порядка четырёх раз в секунду, вероятно для того, чтобы животное не концентрировалось слишком сильно на одном месте или одном стимуле. Это краткое подавление важной информации подстёгивает периферийные стимулы, и создаёт для мозга возможность по необходимости переместить внимание на что-то другое. «Мозг, по-видимому, устроен так, чтобы его периодически можно было отвлечь», — сказал он.
Фибелькорн с коллегами изучают подкорковые регионы с целью раскрытия структуры нейросетей. Пока что они изучают роль ещё одного раздела таламуса, но планируют в будущем так же, как и команда Халассы, заняться базальными ганглиями.
Мышление в действии
Эти работы отмечают знаковый сдвиг в нейробиологии: когда-то процессы внимания считались прерогативой исключительно коры. Однако согласно Крауцлису, в последние пять лет «стало немного более очевидно, что всё это происходит под корой».
«Большинству людей хочется, чтобы кора головного мозга делала всю тяжёлую работу, но я не думаю, что это реалистично», — сказал Джон Маунсел, нейробиолог из Чикагского университета.
Халасса с мультиэлектродным массивом, с помощью которого они с коллегами контролировали активность мозга
Открытие Халассы роли базальных ганглий в работе внимания особенно интересно. В частности потому, что это такая древняя часть мозга, которую не рассматривали как часть сети, отвечающей за выборочное внимание. «Она есть и у рыб, — сказал Крауцлис. – Вплоть до самых ранних позвоночных, включая миног, у которых даже челюсти нет» – или неокортекса – «у них, по сути, есть простой вариант базальных ганглий, и некоторые из этих же самых нейросетей». Нейронные сети рыб могут подсказать нам, как эволюционировало внимание.
Особенно Халассу интересует то, что связь между вниманием и базальными ганглиями может открыть нам в области таких заболеваний, как синдром дефицита внимания и аутизм, которые часто проявляют себя, как гиперчувствительность к определённым входящим сенсорным данным.
Но, возможно, самое интересное из всего, что касается участия в этих процессах базальных ганглий, это то, что данную структуру обычно связывают с управлением моторикой, а некоторые из новых исследований всё чаще связывают её с обучением с наградами, принятием решений и другими мотивационными типами поведения.
После работы, проделанной в лаборатории Халассы, роль базальных ганглий расширили, включив в неё и управление сенсорными данными. Это подчёркивает тот факт, что «внимание реально состоит в переключении от одного к другому в правильном порядке, во время которого вы не отвлекаетесь на то, что не должно вас отвлекать, — сказал Маунсел. – Идея включения в этот процесс структур моторики имеет смысл – они должны находиться в самом центре процесса принятия решений о том, что вы будете делать в следующее мгновение, и на чём должны сконцентрировать сенсорные ресурсы».
Это совпадает с набирающим популярность отношением к вниманию – и к мышлению в целом – как к процессам, основанным на т.н. «активных выводах». Мозг не просто пассивно берёт пробы информации из окружения, отвечая на полученные внешние стимулы. Обратный процесс также имеет место – такие мелкие физические движения, как моргание, тоже управляют восприятием. Сенсорные и моторные системы «не работают по отдельности, они эволюционировали вместе», — сказал Фибелькорн. Поэтому регионы, отвечающие за моторику, не только помогают формировать выходные параметры (поведение животного); также они помогают формировать и входные. Открытия Халассы обеспечивают дополнительные аргументы в пользу такой проактивной роли.
«Восприятие полезно для действия, ведь нам нужно как-то представлять мир, чтобы действовать в нём, — сказала Хелин Слагтер, когнитивист из Амстердамского университета. – И по большей части мы учимся воспринимать окружающий нас мир через действие». Большое количество внутренних связей с корой мозга говорит о том, что кроме управления вниманием, «эти подкорковые структуры играют куда как большую роль в высших когнитивных функциях, чем часто считается».
А это, в свою очередь, может дать нам идеи, касающиеся сознания, наиболее неуловимой темы исследований нейробиологии. Как следует из исследования Халассы и других, «когда мы изучаем корреляцию нейронных связей и внимания, на самом деле мы в какой-то мере изучаем корреляцию нейронных связей и восприятия, — сказал Маунсел. – Это часть более крупной истории, попыток понять принципы работы мозга».
Слагтер сейчас изучает роль базальных ганглий в работе сознания. «При восприятии мира мы не просто пользуемся нашими телами, мы ощущаем его благодаря телам. А мозг строит представление мира, чтобы осмысленно в нём действовать, — сказала она. – Следовательно, сознательное восприятие должно быть тесно связано с действиями», как и внимание. «Сознание должно быть ориентировано на действие».
