Одни и те же подкорковые структуры мозга, отвечающие за внимание и сознание, активируются сигналами от разных органов чувств

Каждый орган чувств активирует определенные области головного мозга. Однако осознанное восприятие и управление вниманием, вероятно, поддерживаются нервными контурами, отвечающими на разные стимулы. Подкорковые системы возбуждения, в том числе ретикулярная формация среднего мозга, таламус и ряд других структур участвуют в регуляции циклов сна и бодрствования, уровня возбуждения. При этом их роль в переключении внимания изучена в меньшей степени, чем коры больших полушарий, особенно при сочетании стимулов разной модальности (тепло, прикосновение, звук, вкус и т.д.).

Коллектив под руководством исследователей из Медицинской школы Йельского университета изучил результаты функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) 1561 человека без неврологических нарушений, которые выполнили одну из 11 задач на зрительное, слуховое, вкусовое или тактильное восприятие. Например, это могла быть карточная игра, пассивное прослушивание записей речи и других звуков или чтение шрифта Брайля. Данные исследований были взяты из шести баз, опубликованных в рамках проектов Human Connectome Project (HCP) Young Adult и Consortium for Neuropsychiatric Phenomics, а также исследователями Йельского, Ягеллонского университетов и Университета Глазго. Исследователи оценивали ответ подкорковых структур на появление отдельного стимула или целого блока по изменению BOLD-сигнала (blood-oxygen-level-dependent), зависящего от насыщения крови кислородом и ассоциированного с активацией нейронов. Затем они провели поиск взаимосвязей (конъюнктурный анализ, conjunction analysis), чтобы определить общую для разных сенсорных стимулов нервную сеть. Аналогичным образом проанализировали ответ коры.

Авторы исследования выявили общую подкорковую систему возбуждения, активируемую сигналами от четырех органов чувств. В первые четыре секунды после предъявления стимула любого вида наблюдался кратковременный всплеск активности в ретикулярной формации среднего мозга и центральном латеральном ядре таламуса, что указывало на важную роль этих структур в контроле внимания. Аналогичная активация была зафиксирована в других таламических ядрах, включая медиодорсальное и центромедианное. Менее выраженным был ответ варолиева моста, гипоталамуса, базальных ганглиев и амигдалы.

Ранее в исследованиях с участием здоровых добровольцев и людей с нарушением сознания уже было показано, что ретикулярная формация и таламус играют важную роль в управлении вниманием. Кроме того, стимуляция таламуса ускоряет восстановление сознания у людей и животных.

Изменения в субкортикальных структурах мозга сопровождались последовательным повышением активности в коре больших полушарий. Ее всплеск был отмечен в зрительной, теменной и островковой коре, средней лобной и поясной извилинах – областях, обепечивающих нисходящее (top-down) внимание. Оно определяется предварительными знаниями, планами и целями человека, в отличие от восходящего (bottom-up) внимания, которое направляют внешние факторы.

По мнению ученых, полученные данные подкрепляют модель осознанного восприятия стимула, которую ранее предложил руководитель работы Хал Блуменфельд. Согласно этой модели, осознанное восприятие сенсорного стимула включает четыре этапа: 1) обнаружение стимула первичными и высшими корковыми и подкорковыми цепями, выбор его для сознательного восприятия; 2) импульс активности в подкорковых и корковых системах, который модулирует внимание и облегчает последующую масштабную обработку сигналов, необходимую для сознательного восприятия; 3) отключение сетей, потенциально конкурирующих с сознательной обработкой сигнала и мешающих ей; 4) широкая «волна» иерархической обработки продвигается через ассоциативные области коры и производит сформированное воспоминание, которое будет сохранено в системах памяти. Новые результаты указывают на то, что «импульс внимания», общий для стимулов различной модальности, обеспечивают структуры в среднем мозге и таламусе.

Авторы отмечают, что результаты данного исследования могут способствовать разработке лекарств и методов нейростимуляции для пациентов с нарушением сознания и внимания.

Как один и тот же участок мозга отличает боль от зуда