Каждый день мы не задумываясь принимаем бесчисленные решения, основываясь на звуках. Но что именно происходит в мозге в таких случаях? Новое исследование лаборатории Ренарта углубляет понимание того, как сенсорная информация и поведенческий выбор переплетаются в коре головного мозга — внешнем слое, который формирует наше сознательное восприятие мира.

Кора разделена на области, которые выполняют разные функции: сенсорные обрабатывают информацию из окружающей среды, а двигательные управляют нашими действиями. Удивительно, но сигналы, связанные с будущими действиями, которые можно было бы ожидать только в двигательных областях, появляются и в сенсорных. Изучение того, как они формируются, могло бы прояснить происхождение и роль этих запутанных сигналов, а также то, как они влияют (или не влияют) на решения.

"Чтобы понять, какие сигналы, связанные с будущими действиями, могут происходить в сенсорных областях, мы тщательно продумали задачи, которые придется выполнять мышам. Предыдущие исследования часто основывались на задачах "Go-NoGo", в которых животные сообщали о своем выборе, либо совершая действие, либо не двигаясь, в зависимости от характера стимула. Однако эта установка смешивает сигналы, связанные с конкретными движениями, с сигналами, связанными с движением в целом. Чтобы изолировать сигналы для конкретных действий, мы научили мышей выбирать между одним из двух действий. Им нужно было решить, является ли звук высоким или низким по сравнению с установленным порогом, и сообщить о своем решении, облизнув носик одного из устройств — левого или правого", — говорит ведущий автор исследования Рафаэль Стейнфельд,

Однако этого было недостаточно. "Мыши быстро осваивают эту задачу и часто реагируют, как только слышат звук, — продолжает Стейнфельд. — Чтобы отделить активность мозга, связанную со звуком, от активности, связанной с реакцией, мы ввели критическую задержку в полсекунды. В течение этого интервала мышам пришлось воздержаться от своего решения. Важно отметить, что эта задержка позволила нам временно отделить активность мозга, связанную со стимулом, от активности, связанной с выбором, и отследить, как нейронные сигналы, связанные с движением, разворачиваются с течением времени на основе первоначального сенсорного сигнала".

"Чтобы проанализировать нейронные представления стимулов и выбора, также было важно разработать эксперимент достаточной сложности, позволяющий мышам совершать ошибки. 100%-ный показатель успеха стирает различие между стимулом и выбором, поскольку каждый стимул всегда будет вызывать одну и ту же реакцию. Создавая возможность ошибок, мы могли бы отделить нейронное кодирование звука от принимаемых решений", — говорит ученый. Например, в тех случаях, когда мыши слышали один и тот же тон, но принимали разные решения (правильные или неправильные), исследователи могли проверить, различается ли активность нейрона в зависимости от двух действий. Если да, то это будет означать, что нейрон закодировал информацию о выборе.

После шести месяцев тщательного обучения грызунов исследователи наконец смогли начать регистрировать нервную активность мышей во время выполнения задания. Они сосредоточились на слуховой коре — части, отвечающей за обработку того, что мы слышим, которая, как уже выяснилось, необходима для выполнения задачи. "Кора головного мозга мышей и людей состоит из шести слоев, каждый из которых имеет специализированные функции и особые связи с другими областями мозга, — объясняет Альфонсо Ренарт, старший автор исследования. — Учитывая, что определенные слои обычно получают сенсорную информацию из областей мозга, в то время как другие отправляют информацию в двигательные центры, мы одновременно зарегистрировали активность во всех слоях слуховой коры — впервые в такой задаче, как наша, в которой сенсорные и моторные сигналы могли быть четко отделены".

"Мы обнаружили, что сигналы, связанные с сенсорикой и выбором, демонстрируют различные пространственные и временные закономерности, — продолжает Ренарт. — Сигналы, связанные с обнаружением звука, появлялись быстро, но также быстро исчезали — примерно через 400 миллисекунд после подачи звука, и широко распределялись по всем слоям коры. Напротив, сигналы, связанные с выбором, указывающие на движение, которое собирается совершить мышь, возникли позже, но до того, как решение было выполнено, и были сконцентрированы в более глубоких слоях коры".

Однако несмотря на временное разделение между стимулом и активностью выбора, дальнейший анализ выявил интригующую связь: нейроны, которые реагировали на определенную звуковую частоту, также имели тенденцию быть более активными в отношении действий, связанных с этими звуками. "Например, нейрон, который реагирует на высокие частоты, может активироваться больше для облизывания правого носика у одной мыши и облизывания левого у другой, в зависимости от того, как каждая из них была обучена, поскольку мы переключили непредвиденные обстоятельства звукового действия. Эта изменчивость у разных животных показывает, что активность не является жесткой, а адаптируется с опытом. Эти нейроны учатся увеличивать свою активность для любого действия, подходящего в зависимости от предпочитаемой ими звуковой частоты", — объясняет Стейнфельд: 

"Интересно, — отмечает Ренарт, — что ранние сенсорные сигналы в слуховой коре, похоже, не предсказывают окончательный выбор мышей. Сам сигнал выбора появляется значительно позже. Это говорит, что сенсорные сигналы в слуховой коре не вызывают непосредственно действий мышей и что сигналы выбора, которые мы наблюдаем, вероятно, вычисляются где-то в более высоких областях мозга, участвующих в планировании или выполнении движений, которые затем отправляют свою обратную связь в слуховую кору".

Но если эти сигналы движения не диктуют действия, какую роль они могут играть? Возможно, они служат главным образом для интеграции и передачи информации. Например, могут корректировать восприятие мозга в соответствии с принимаемым решением, повышая стабильность того, что мы воспринимаем. В качестве альтернативы они могли бы настроить мозг на ожидаемые сенсорные результаты действий, такие как шум, производимый при движении, гарантируя, что наши сенсорные ощущения соответствуют нашим движениям.

Однако эти гипотезы еще предстоит проверить. "Можно задаться вопросом: если сенсорные сигналы слуховой коры не влияют непосредственно на выбор, а сигналы выбора, которые мы там наблюдаем, на самом деле не производятся ею, то какова же именно цель слуховой коры? — размышляет Ренарт. — Мы могли бы предположить, что слуховая кора больше занимается созданием сознательного восприятия звука, чем сенсомоторной трансформацией, но это уже другая история".

Тем не менее нельзя исключать причинную роль, особенно потому, что более глубокие слои слуховой коры передают информацию в заднее полосатое тело — часть центра мозга, контролирующего привычки и движения. Будущие исследования будут направлены на то, чтобы точно определить происхождение этих сигналов движения и выяснить, действительно ли они являются причиной поведения.

Исследование опубликовано в Current Biology.