Исследователи обнаружили, как две области мозга, неокортекс и таламус, работают вместе, чтобы обнаружить несоответствия между тем, что животные ожидают от своей среды, и реальными событиями. Эти ошибки прогнозирования реализуются путем выборочного усиления неожиданной сенсорной информации. Эти результаты расширяют наше понимание предиктивной обработки в мозге и могут дать представление о том, как изменяются мозговые контуры при расстройствах аутистического спектра (РАС) и расстройствах шизофренического спектра (РШС).
В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature, описывается, как ученые из Центра Сэйнсбери Уэллком при Университетском колледже Лондона изучали мышей в среде виртуальной реальности, чтобы приблизиться к пониманию как природы сигналов ошибок прогнозирования в мозге, так и механизмов, посредством которых они возникают.
«Наш мозг постоянно предсказывает, чего ожидать в окружающем мире и каковы последствия наших действий. Когда эти прогнозы оказываются неверными, это вызывает сильную активацию различных областей мозга, и такие сигналы об ошибках прогнозирования важны для того, чтобы помочь нам учиться на своих ошибках и обновлять наши прогнозы. Но, несмотря на их важность, удивительно мало известно о механизмах нейронных цепей, ответственных за их реализацию в мозге», — объяснила профессор Соня Хофер, руководитель группы в SWC и автор-корреспондент статьи.
Чтобы изучить, как мозг обрабатывает ожидаемые и неожиданные события, исследователи поместили мышей в среду виртуальной реальности, где они могли перемещаться по знакомому коридору, чтобы добраться до награды. Виртуальная среда позволила команде точно контролировать визуальный ввод и вводить неожиданные изображения на стены. Используя технику, называемую двухфотонной кальциевой визуализацией, исследователи смогли записать нейронную активность многих отдельных нейронов в первичной зрительной коре, первой области в нашем неокортексе, которая получает визуальную информацию от глаз.
«Предыдущие теории предполагали, что сигналы ошибок прогнозирования кодируют, как фактический визуальный ввод отличается от ожиданий, но, к нашему удивлению, мы не нашли экспериментальных доказательств этого. Вместо этого мы обнаружили, что мозг усиливает реакции нейронов, которые имеют самое сильное предпочтение к неожиданному визуальному вводу. Сигнал ошибки, который мы наблюдаем, является следствием этого избирательного усиления визуальной информации. Это означает, что наш мозг обнаруживает расхождения между прогнозами и фактическими вводами, чтобы сделать неожиданные события более заметными», — объяснил соавтор исследования Шохей Фурутачи.
Чтобы понять, как мозг генерирует это усиление неожиданного сенсорного сигнала в зрительной коре, команда использовала технику, называемую оптогенетикой, для инактивации или активации различных групп нейронов. Они обнаружили две группы нейронов, которые были важны для возникновения сигнала ошибки прогнозирования в зрительной коре: вазоактивные интестинальные полипептиды (VIP)-экспрессирующие ингибирующие интернейроны в V1 и таламическая область мозга, называемая pulvinar, которая объединяет информацию из многих неокортексных и подкорковых областей и тесно связана с V1. Но исследователи обнаружили, что эти две группы нейронов взаимодействуют удивительным образом.
«Часто в нейронауке мы фокусируемся на изучении одной области мозга или пути за раз. Но, имея опыт молекулярной биологии, я был очарован тем, как различные молекулярные пути синергически взаимодействуют, обеспечивая гибкую и контекстную регуляцию. Я решил проверить возможность того, что сотрудничество может происходить на уровне нейронных цепей, между VIP-нейронами и подушкой», — объяснил Фурутачи.
И действительно, работа Фурутачи показала, что VIP-нейроны и подушка действуют синергически вместе. VIP-нейроны действуют как коммутатор: когда они выключены, подушка подавляет активность в неокортексе, но когда VIP-нейроны включены, подушка может сильно и избирательно усиливать сенсорные реакции в неокортексе. Таким образом, кооперативное взаимодействие этих двух путей опосредует сигналы ошибки сенсорного прогнозирования в зрительной коре.
Следующими шагами для команды являются изучение того, как и где в мозге предсказания животных сравниваются с фактическим сенсорным входом для вычисления ошибок сенсорного предсказания и как сигналы ошибок предсказания управляют обучением. Они также изучают, как их выводы могут помочь в понимании РАС и ОСД.
«Было высказано предположение, что и РАС, и ССД можно объяснить дисбалансом в системе ошибок прогнозирования. Сейчас мы пытаемся применить наше открытие к животным-моделям РАС и ССД, чтобы изучить механистические нейронные цепи, лежащие в основе этих расстройств», — пояснил Фурутачи.
