Вчені розкривають, як наш мозок декодує простір і час

Дослідження, проведене когнітивними нейробіологами з SISSA, дослідило, як людський мозок обробляє простір і час, виявивши, що ці два типи інформації пов’язані лише частково. Уявіть собі рій світлячків, що мерехтить у ночі. Як людський мозок обробляє та інтегрує інформацію як про їх тривалість, так і про просторове положення, щоб сформувати узгоджений візуальний досвід? Це питання було в центрі дослідження Валерії Чентаніно, Джанфранко Фортунато та Доменіки Буеті з групи когнітивної нейронауки SISSA, опубліковане в Nature Communications.

Їхнє дослідження розкриває функціональну ієрархію всередині кори головного мозку людини. У задніх відділах мозку, де вперше отримується візуальна інформація, простір і час обробляються разом. Однак у міру того, як обробка переходить до тім’яної та лобової зон, ці два виміри поступово стають різними. Крім того, дослідження показало, що спосіб представлення часу відрізняється в різних областях мозку, відображаючи зміну в тому, як часова інформація кодується в корі головного мозку.

У потиличних областях, де простір і час обробляються разом, час кодується в активності тієї самої нейронної популяції, яка стає пропорційно активнішою, чим довша тривалість. Натомість у тім’яній та лобовій областях, де зв’язок між простором і часом стає все слабшим і зрештою зникає, час кодується різними нейронними популяціями, кожна з яких вибірково реагує на певні тривалості. У тім’яних областях, у проміжній позиції цієї ієрархії, існує співіснування механізмів кодування тривалості, а час і простір обробляються разом або незалежно.

Експеримент: візуальні стимули в різних положеннях екрана

«Як мозок людини обробляє візуальну інформацію, що змінюється як у просторовому положенні, так і в тривалості?» Це було питання, яке спонукало до дослідження. «Ми хотіли зрозуміти, чи простір і час обробляються незалежно, чи ні», — пояснюють автори дослідження.

Щоб змоделювати те, що може статися в реальності, вони попросили молодих здорових учасників оцінити тривалість візуального стимулу, представленого в різних місцях на екрані протягом різного часу. Під час цього завдання нервові реакції були зареєстровані за допомогою просторової магнітно-резонансної томографії з високою роздільною здатністю (фМРТ).

Різні області мозку, різні стратегії кодування. Задня кора: простір і час обробляються разом

«Ми виявили, що зв’язок між простором і часом у людському мозку не є постійним, а залежить від задіяних ділянок мозку. У задній частині нашого мозку, зокрема в потиличній зоровій корі, зв’язок сильний, оскільки простір і час обробляються одними й тими самими нейронами. Ця область, яка спеціалізується на отриманні візуальних даних, — пояснюють Кентаніно, Фортунато та Буеті, — реагувала як на положення, так і на тривалість стимулу: чим довший час перегляду, тим більша мозкова активність у цих популяціях нейронів».

Передня кора: окремі нейрони для простору та часу

У передніх областях, однак, цей зв’язок зникає. У фронтальних премоторних зонах, які беруть участь у підготовці руху, час обробляється незалежно від положення зорового стимулу. Різні популяції нейронів обробляють простір і час. Крім того, додають автори, «тривалість кодується по-іншому порівняно із задніми областями. Тут окремі нейронні популяції переважно реагують на певну тривалість, а нейронні популяції, які віддають перевагу подібній тривалості, є суміжними на кортикальній поверхні, утворюючи те, що ми можемо назвати «часовими картами».

Проміжна кора головного мозку: різноманітність механізмів

У проміжній області цієї коркової ієрархії, зокрема в тім’яній корі, яка відома інтеграцією різних джерел інформації та функціонально розташована між потиличною та фронтальною премоторною корою, зв’язок між простором і часом є багатогранним. Троє дослідників пояснюють: «Деякі популяції нейронів реагували як на положення, так і на тривалість стимулу, тоді як інші реагували лише на один із цих вимірів. Реакція на час була в деяких випадках монотонною, як у потиличній корі, тоді як в інших вона демонструвала вибірковість для певної тривалості, подібно до передніх областей».

Функціональна ієрархія в обробці часу

«Це дослідження, — підсумовують Кентаніно, Фортунато та Буеті, — покращує наше розуміння того, як простір і час, два фундаментальні аспекти нашого досвіду світу, обробляються та інтегруються в людський мозок. Крім того, це проливає світло на наявність функціональної ієрархії в обробці часу. Існування множинних профілів відповіді на тривалість стимулу разом із їхнім специфічним зв’язком із просторовою обробкою свідчить про те, що різні ділянки мозку роблять явний внесок у обробку та сприйняття часу».