РЕЖИМ МНОГОЗАДАЧНОСТИ. КАК МОЗГ КОДИРУЕТ СИГНАЛЫ?

Как нейронам мозга удается одновременно обрабатывать несколько входящих сигналов?

В информационных технологиях и системах связи существует понятие мультиплексирование (то есть передача нескольких потоков данных с меньшей скоростью и пропускной способностью по одному и тому же каналу). Открытие, что и наш мозг с его нейронами, обладает аналогичными возможностями и способностями, сделали ученые Center for Cognitive Neuroscience при Duke University (Великобритания), представив «стратегию мозга» летом 2018 года на официальном сайте университета и в Nature Communications.

Согласно новым данным, клетки мозга способны обрабатывать несколько сигналов одновременно, быстро переключаясь с одного на другой. В своих экспериментах нейробиологи изучали реакцию обезьян на звуковые сигналы. «Вопрос, который мы поставили перед собой — как нейроны сохраняют информацию о двух разных стимулах одновременно?» — рассказала одна из авторов работы, профессор кафедры Психологии и неврологии Jennifer Groh.

Оказалось, что один и тот же нейрон может кодировать информацию из двух различных источников, переключаясь между сигналом, связанным с одним звуком, и сигналом, связанным с другим звуком. В предыдущих исследованиях специалисты изучали, как нейроны воспринимают отдельные сигналы, скажем, звук или изображение. Однако такой подход имеет некоторые ограничения и не учитывает сложность реального мира, ведь наш мозг постоянно реагирует на несколько «раздражителей». Например, человек способен поддерживать разговор с собеседником и при этом слышать фоновую музыку, может выявить отельный звук цикады на фоне целой симфонии оркестра насекомых в лесу и прочее. В новой работе ученые выяснили, что в один период времени каждый конкретный нейрон реагирует на один стимул, а в другой период – на другой. И эти временные отрезки очень быстро чередуются. Результаты объясняют, как мозг обрабатывает сложную информацию из окружающего нас мира, а также могут дать представление о некоторых наших ограничениях восприятия и ограничениях когнитивных функций, развитии нарушений, конечности нашей способности работать в режиме многозадачности.

«Было не ясно, как осуществляется переход от одиночного нейрона, кодирующего отдельные объекты, к нейронам, кодирующим несколько объектов. Мы сделали промежуточный шаг, рассмотрев, как нейроны кодируют небольшие группы объектов», — поясняет научный сотрудник исследовательской команды Valeria Caruso. Исследования с одиночными нейронами показали, что многие сенсорные нейроны широко настроены, что означает, что каждый из них способен реагировать на звуки в диапазоне различных частот. Например, те же нейроны, которые запускаются голосом близкого человека, также могут запускаться нотами ваших любимых мелодий. «Если я — нейрон, и способна среагировать как на изображение подушки, так и на кровать, на которой она лежит, то как мозг разбирается и определяет, что и подушка и кровать присутствуют вместе или в наличии только одно? В этом мы пытались разобраться».

При проведении экспериментов испытуемых животных помещали в тёмную комнату и обучали смотреть в направлении звуков, которые они слышали. При этом учёные включали либо один, либо два звуковых сигнала. Во втором случае использовались звуки разных частот, исходивших из разных мест. Наблюдения показали, что при одновременном включении 2 звуков приматы сначала смотрели в направлении одного источника, затем – другого. Другими словами, они различали эти звуки и понимали, что исходят они не из одного источника. Чтобы понять, что в это время происходит в мозге обезьян, и отследить активность нейронов, исследователи использовали электроды, подключенные к определенной области мозга — нижнему двухолмию (этот участок мозга является ключевым отрезком так называемого «слухового пути»). В ходе экспериментов измерялись пики нейронной электрической активности, отслеживались реакции отдельных клеток как на одиночные звуки, так и на их комбинацию. Команда применила комбинацию передовых статистических методов анализа.

Оказалось, что каждый конкретный нейрон реагировал на один звук с одной скоростью, а на второй – с другой. Когда же звуки воспроизводились одновременно, нейрон действительно переключал своё «внимание» с одного звука на другой, при этом чередовалась и скорость реакции. В одних случаях на обработку сигнала уходило буквально доля секунды, в других чуть переключение осуществлялось медленнее.

Команда повторила статистический анализ данных экспериментов, проведенных профессором неврологии и поведения в университете The Rockefeller University, в экспериментах которого исследовалась частота срабатывания одиночных нейронов в визуальной области коры мозга в ответ на изображения одного лица или двух лиц. Анализ выявил идентичную схему переключения.

Результаты приоткрывают тайну и дают подсказки по ситуации, когда мозг должен выполнять больше 1 задачи за один раз с ограниченным набором нейронов. Например, наша рабочая память — количество вещей, которые мы можем держать в уме одновременно ограничена примерно 5-7 предметами. Хотя выполненные эксперименты напрямую не проверяют рабочую память, исследователи считают, что дальнейшая работа поможет объяснить эти ограничения. «Наша система рабочей памяти довольно ограничена, и никто не знает и не может объяснить — почему? Возможно, этот предел возникает из-за некоторого циклического поведения, когда вы кодируете одну вещь за раз, и в течение определенного периода времени количество вещей, которые вы можете представлять, зависит от того, как долго вам нужно представлять каждую из них, и как быстро вы можете переключиться».

Источник: Duke Today / Neurons can carry more than one signal at a time

Nature Communications / Single neurons may encode simultaneous stimuli by switching between activity patterns