Согласование электрических ритмов помогает мозгу понять общие признаки у разных объектов.

На уровне нейронов процесс обучения связывают с образованием новых межнейронных контактов – синапсов. Благодаря синапсам выстраивается нервная цепочка, в которой нейроны обмениваются импульсами. Межнейронные контакты постоянно образуются и исчезают, и считается, что всё многообразие высшей нервной деятельности обусловлено такой синаптической пластичностью мозга. Но в действительности наши мысли могут меняться мгновенно, в уме мы перескакиваем с одного на другое, а формирование межклеточных контактов – процесс довольно длительный, и за скоростью мысли ему не угнаться.

Согласование электрических ритмов между полосатым телом (красным) и префронтальной корой (синим) помогает формировать общие понятия. (Иллюстрация Jose-Luis Olivares / MIT.)

Поэтому возникает разумное предположение, что у мозга есть ещё какой-то механизм, позволяющий обрабатывать информацию, но не связанный с перестройками в синаптической архитектуре. Механизм этот описывают на страницах Neuron исследователи из Массачусетского технологического института. Эрл Миллер (Earl Miller) и его коллеги уже довольно давно изучают процессы высшей нервной деятельности с точки зрения нейрофизиологии. Так, недавно им удалось описать картину активации нейронов в разных областях мозга при формировании категориальных понятий. Когда мозгу нужно обобщить какую-то информацию, то первым делом включаются нейроны полосатого тела, или стриатума, а вслед за ними в дело вступают нейроны префронтальной коры. Считается, что стриатум, который относится к подкорковым структурам, выполняет лишь небольшую часть аналитической работы, что он, грубо говоря, рассматривает только часть головоломки. Но потом сигнал от него направляется в более «продвинутую» кору, которая отвечает за более глобальные вещи – здесь разрозненные фрагменты встраиваются в общую картину головоломки.

Но остаётся вопрос, как именно работают нейроны полосатого тела и префронтальной коры? Есть ли между ними какое-то сообщение, или же они работают независимо друг от друга? Чтобы выяснить это, исследователи поставили эксперимент, в котором шимпанзе показывали разные узоры из точек, а обезьяны должны были определить, к какой из двух разновидностей относится тот или иной узор. Иными словами, шимпанзе должны были распределить картинки по категориям.

Сначала шимпанзе должны были просто запомнить характеристики категорий – обезьянам показывали серию картинок-образцов одного или другого вида. Но со временем характер опыта менялся: с одной стороны, картинки повторялись, с другой стороны, появлялись новые изображения. Их становилось всё больше, так что просто запомнить, какая к чему относится, было уже нельзя, нужно было оценивать конкретные признаки и сравнивать их с признаками категорий. В итоге число новых, неизвестных ранее картинок достигало 256, и шимпанзе могли все их правильно распределить по видам. Одновременно исследователи регистрировали электрические ритмы мозга обезьян с помощью электроэнцефалографии.

Оказалось, что в тот момент, когда шимпанзе переходили от механического запоминания к анализу категориальных признаков, в мозге происходил характерный сдвиг активности: бета-ритмы, генерируемые полосатым телом и префронтальной корой, синхронизировались друг с другом. По словам авторов исследования, между двумя зонами мозга формировалась информационная цепь, благодаря которой нейроны начинали работать согласованно, чтобы проанализировать поток изображений. Потом, когда шимпанзе осознавали существование двух категорий картинок, между полосатым телом и корой образовывалось уже две информационные цепи – то есть участки мозга по-разному синхронизировались для каждой из категорий.

Исследователи подчёркивают, что информационный контур формируется до того, как возникают клеточно-анатомические изменения в структуре мозга. Очевидно, всё происходит следующим образом: сначала мозг обрабатывает, обдумывает какую-то информацию (и в этот момент происходит синхронизация ритмов), а потом результаты обдумывания записываются в память с помощью новых синапсов. Понятно, что первоначальная синхронизация тоже предполагает какие-то «провода» между разными областями мозга, однако такие «провода» играют сугубо техническую роль. Лишь потом появляются синапсы и нейронные цепочки, созданные специально для хранения «плодов раздумий».

Вообще говоря, нейробиологи не впервые видят ритмическую синхронизацию в мозге при выполнении каких-то когнитивных задач – ранее её уже наблюдали между зрительной корой и аналитическими областями коры. Однако сейчас это удалось увидеть не просто для каких-то неопределённых размышлений, а для конкретного процесса категоризации. Такой обмен информацией между корой и полосатым телом может продолжаться и дальше: категория может пополняться новыми данными, и для постоянных уточнений нейроны будут снова и снова синхронизироваться, а потом уточнённая информация будет оседать в долговременной памяти благодаря синаптической пластичности. В дальнейшем авторы работы собираются исследовать, как мозг усваивает более абстрактные понятия, свойственные именно человеческому мышлению.