Ученые из Тандонской инженерной школы Нью-Йоркского университета (NYU Tandon) благодаря уникальному эксперименту выяснили, как человеческий мозг управляет визуальными и слуховыми сигналами и балансирует их в режиме реального времени.
Работа, опубликованная в журнале Nature Communications, показала, что фронтальная (лобная) кора действует как своего рода «регулировщик движения», который постоянно решает, какому сенсорному потоку отдать приоритет в конкретный момент.
Большинство научных экспериментов, как правило, предполагают упрощенные лабораторные тесты, однако на этот раз нейробиологи применили совершенно иной подход. Они создали среду, максимально приближенную к реальной жизни, и использовали кинопоказ для наблюдения за людьми.
Что показало исследование?
В исследовании приняли участие 19 пациентов с эпилепсией, которым в целях клинического мониторинга были временно имплантированы электроды в головной мозг. Во время пребывания в больнице пациенты смотрели 12-минутный мультиязычный короткометражный фильм, содержащий сцены на английском, греческом, немецком и французском языках (сцены на иностранных языках сопровождались субтитрами).
Поскольку электроды располагались непосредственно на коре головного мозга или внутри нее, исследователи смогли записать нейронные ответы с точностью до миллисекунд, что значительно превосходит возможности стандартной магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Анализ данных показал, что лобная кора обрабатывает сенсорную информацию неравномерно: в ней существует четкое внутреннее структурное разделение, где вентральные (нижние) области гораздо сильнее реагируют на слуховые (аудио) сигналы, в то время как дорсальные (верхние) области больше сфокусированы на зрительной (визуальной) информации. Это указывает на то, что лобная кора имеет строго организованную карту для управления различными типами сенсорных потоков, а не является просто общим центром контроля.
Самая интересная часть исследования
Самая интересная часть исследования связана с возникновением языкового барьера. Когда персонажи в фильме говорили по-английски (на понятном для пациентов языке), лобная кора мозга делала акцент на обработке аудиосигналов. Однако, как только персонажи переходили на иностранный язык, нейронная активность моментально смещалась в визуальные области — мозг зрителя автоматически переключался на чтение субтитров, активный анализ мимики и жестов.
Эту динамическую реакцию мозга ученые подтвердили и с помощью опроса онлайн-волонтеров. Они оценили каждую сцену фильма, выделив моменты, где для понимания сюжета решающее значение имели аудио- или визуальные подсказки. Субъективные оценки волонтеров точно совпали с нейронными данными, записанными из мозга пациентов: мозг «на лету» меняет и перераспределяет сенсорные приоритеты в зависимости от того, какой источник является более информативным.
И все же, что дает нам это исследование?
Это открытие проливает свет на один из давних вопросов нейробиологии: как организм умудряется интегрировать мультисенсорную информацию в сложной, меняющейся среде. Исследование показывает, что лобная кора не просто объединяет информацию постфактум, а активно определяет, какому сенсорному потоку отдать предпочтение еще до того, как человек дойдет до осознанного восприятия.
Группа исследователей отмечает, что глубокое понимание этого механизма в будущем поможет разработать новые терапевтические подходы для пациентов с нарушениями речи, аутизмом, дефицитом внимания или потерей слуха. Кроме того, эта адаптивная способность мозга может стать источником вдохновения для создания более гибких систем искусственного интеллекта (ИИ), которые смогут самостоятельно и правильно распределять приоритеты между аудио- и визуальными параметрами в зависимости от контекста.
Определенным ограничением исследования ученые считают тот факт, что участниками были пациенты с эпилепсией, а расположение электродов было обусловлено не дизайном эксперимента, а чисто медицинской необходимостью. Тем не менее, точность прямой нейронной записи все же предоставляет уникальную и редкую возможность для изучения работы живого человеческого мозга.
