В мозгу зрительная кора обрабатывает визуальную информацию и передает ее из нижних областей мозга в верхние. Однако информация течет и в обратном направлении, e.грамм. направить внимание на определенные раздражители. Но как мозг узнает, по какому пути должна идти информация? Исследователи из Института нейробиологии Эрнста Штрюнгмана (ESI) во Франкфурте в сотрудничестве с Обществом Макса Планка теперь продемонстрировали, что зрительная кора головного мозга людей использует разные частотные каналы в зависимости от направления, в котором переносится информация. Их выводы стали возможны только благодаря предыдущим исследованиям с макаками. Они могут помочь понять причину психических заболеваний, в которых два канала кажутся смешанными.
Условия "вверх дном" а также "сверху вниз" относятся к процессам, с помощью которых человеческий мозг обрабатывает информацию. "В зрительной системе общение снизу вверх происходит, когда информация поступает через глаза и перетекает из нижних зрительных областей в верхние, т.е.е. снизу вверх," объясняет Паскаль Фрис из Института нейробиологии Эрнста Штрюнгмана.
Как только человек наблюдает за окружающей средой, сенсорная информация непрерывно обрабатывается по восходящему принципу. Но как мы узнаем, что одна информация важнее другой?? Фри: "В этом нам помогает принцип сверху вниз. Мозг использует предыдущий опыт, чтобы систематизировать информацию в текущем контексте и делать прогнозы на этой основе." Таким образом, нисходящий поток влияет на восходящий поток и направляет наше внимание на вещи, которые важны в текущей ситуации. Это может происходить автоматически, например, из-за внезапного появления угрожающего стимула, а также из-за внимания, например, когда мы что-то ищем или следуем инструкциям. "Многие из наших когнитивных способностей можно объяснить, только применив этот принцип," говорит Фрайз.
Для работы принципа сверху вниз мозгу требуются механизмы, передающие информацию от верхних областей мозга к нижним. Анатомические связи в направлении сверху вниз известны давно, но то, как информация передается через эти соединения, оставалось неуловимым.
Обезьяны-макаки помогли Фрайсу и его коллегам встать на правильный путь. Во-первых, они исследовали восходящий поток в мозгу этих животных и обнаружили, что он использует определенный частотный диапазон ритмической нейронной активности, известный как гамма-диапазон, около 60 Гц. Информация течет снизу вверх, когда ритмическая колебательная активность нижних областей мозга уносит ритм следующей, более высокой области.
Впоследствии нейробиологи открыли канал для нисходящего потока информации, а именно так называемые альфа- и бета-частотные ритмы между 10 и 20 Гц. Таким образом, по сути, иерархически расположенные области зрительной коры используют отдельный частотный канал для передачи информации из верхних областей в нижние.
В своей настоящей работе исследователи показывают, что очень похожий принцип работает в человеческом мозгу. "Мы знали ритмы и хотели искать их в человеческом мозгу," объясняет Фрайс. Для этого они использовали метод, известный как магнитоэнцефалография (МЭГ). МЭГ использует датчики вне головы для регистрации магнитных полей, возникающих в результате электрических токов активных нервных клеток. Измерения позволяют делать выводы об активности в определенных областях мозга. "В необработанных данных МЭГ сигналы от нескольких областей мозга смешаны и должны быть разделены, насколько это возможно, с использованием передовых математических методов," говорит Фрайз.
Это одна из причин, почему исследования мозга макак были так важны. Поскольку у макак мозг очень похож на человеческий, научные открытия, полученные на макаках, часто могут быть переданы людям. Именно благодаря предыдущей работе над животными исследователи смогли правильно интерпретировать измерения МЭГ.
В своих экспериментах исследователи демонстрируют, что человеческий мозг также использует разные частотные диапазоны для восходящей и нисходящей передачи сигналов. Кроме того, нейрофизиологи смогли описать иерархическое расположение дополнительных областей, некоторые из которых присутствуют только в человеческом мозгу. Всего было исследовано 26 участков головного мозга человека.
Новые открытия могут помочь нам лучше понять причины некоторых психических заболеваний, чтобы в один прекрасный день мы смогли их лечить. При некоторых психических заболеваниях кажется, что потоки сверху вниз и снизу вверх смешиваются. Есть признаки того, что у людей с шизофренией нисходящий поток нормально не взаимодействует с восходящим потоком. "Здоровый человек может различать сенсорные сигналы и их интерпретацию, произведенную в более высоких областях. Например, они могут видеть черты лица в облаке, не думая, что облако – это лицо. Больные шизофренией могут думать, что лицо настоящее, потенциально принимая интерпретацию сверху вниз за ощущение снизу вверх," объясняет Фрайс.