Думали, глаза и уши беспристрастно передают картину мира? Мозг сначала придумывает прогноз, а потом подгоняет под него сигналы
Нейробиологи предложили пересмотреть привычное представление о том, как мозг распознает окружающий мир. По новой концепции, мозг не просто сравнивает поступающие сигналы с сохраненными в памяти образами, а заранее формирует ожидания относительно происходящего. Лиза Фельдман Барретт из Северо-Восточного университета и Эрл Миллер из Массачусетского технологического института считают, что нервная система постоянно сопоставляет ожидания с поступающей информацией и учитывает текущее состояние организма. Новую концепцию ученые представили в Nature Reviews Neuroscience.
Каждую секунду органы чувств передают мозгу огромный поток данных: свет попадает на сетчатку, звуковые волны воздействуют на барабанные перепонки, кожа реагирует на давление и температуру. Обработать весь поток во всех подробностях нервная система не может, поэтому мозг сжимает информацию и превращает набор сигналов в понятные категории вроде предметов, людей, пищи, угроз или эмоций.
Традиционная модель помещала категоризацию в конец обработки сенсорной информации. Мозг якобы сначала выделяет признаки объекта, а затем сравнивает результат с шаблонами, накопленными в памяти. Подход плохо объясняет, почему одинаковые ощущения получают разный смысл в разных обстоятельствах. Ритмичный шорох днем на открытой улице человек может принять за взмах крыльев голубя, а ночью в темном переулке похожий звук легко воспринимается как шаги незнакомца.
Барретт и Миллер предлагают другую последовательность. Нервная система использует прошлый опыт, окружающую обстановку и состояние тела, чтобы заранее сформировать ожидания и подготовить подходящую реакцию. Сенсорные данные затем сопоставляются с ожиданиями, а категория возникает не как простой результат поиска знакомого набора признаков в памяти.
Механизм хорошо показывает пример с неожиданным ощущением на ноге. В безопасной обстановке легкая царапина может почти не привлечь внимания. В высокой траве на незнакомой местности при учащенном сердцебиении и напряжении похожее ощущение мозг способен интерпретировать как укус насекомого или потенциальную угрозу со стороны змеи. Физический сигнал почти не меняется, но состояние организма и окружающая обстановка заставляют нервную систему отнести ощущение к другой категории.
Концепция опирается на идеи предиктивного кодирования. В знакомой обстановке внутренние ожидания мозга могут сильнее влиять на восприятие, чем поток новых ощущений. Неожиданное событие создает ошибку предсказания, когда сенсорные данные расходятся с ожиданиями. Мозг уделяет повышенное внимание подобным расхождениям, поскольку обработка каждого поступающего сигнала потребовала бы слишком много ресурсов.
Авторы связывают категоризацию и с энергетическими потребностями организма. Барретт изучает аллостаз, то есть способность нервной системы заранее регулировать расход ресурсов. Состояние тела в предложенной модели влияет на интерпретацию поступающих сигналов и подготовку реакции. Голод, усталость, сердцебиение или напряжение мышц становятся частью контекста наряду со зрением, слухом и памятью.
Анатомические данные, на которые ссылаются Барретт и Миллер, тоже согласуются с предиктивной моделью. Исследования показывают большое количество соединений, передающих внутренние сигналы от более высоких уровней обработки к сенсорным областям. По данным работ, приведенных авторами, в зрительной коре до 90% синаптических соединений поддерживают обратную передачу сигналов. Исследователи считают подобное устройство одним из аргументов в пользу нервной системы, ориентированной не только на реакцию на раздражители, но и на постоянное формирование ожиданий.
Одновременно сенсорная информация сильно сжимается по мере продвижения через нервную систему. Большое количество исходных деталей постепенно превращается в более абстрактные представления, которые мозг объединяет с памятью, целями и сведениями о состоянии тела. Авторы уделяют особое внимание лимбическим структурам, тесно связанным с гипоталамусом, который контролирует базовые параметры организма, включая температуру, сердечный ритм и голод. В предложенной модели лимбические структуры помогают объединять сокращенную информацию из внешнего мира и внутренние сигналы организма.
Барретт и Миллер также отвергают представление о единственном участке мозга, где происходит категоризация. Взаимодействие ожиданий и сенсорных сигналов может идти в разных частях нервной системы в зависимости от задачи. Категории, по мнению исследователей, не лежат в памяти в виде готовых ярлыков, а заново формируются из прошлого опыта, ощущений и текущих потребностей организма.
Новая работа представляет теоретическую концепцию, а не окончательное доказательство единого механизма работы мозга. Авторы опираются на анатомические, электрофизиологические и нейровизуализационные исследования и предлагают рассматривать категоризацию как один из базовых принципов организации нервной системы. Мозг в предложенной модели больше напоминает постоянно работающую систему прогнозирования, чем хранилище заранее подготовленных образов.