Για να δώσετε προσοχή, ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί φίλτρα, όχι προβολέα

Μπορούμε να διαλέξουμε μια συνομιλία σε ένα δυνατό δωμάτιο, ανάμεσα στην άνοδο και την πτώση άλλων φωνών ή στο βουητό ενός κλιματιστικού. Μπορούμε να εντοπίσουμε ένα σετ κλειδιών σε μια θάλασσα ακαταστασίας ή να καταγράψουμε ένα ρακούν που τρέχει στο μονοπάτι του ορμημένου αυτοκινήτου μας. Κατά κάποιο τρόπο, ακόμη και με τεράστιες ποσότητες πληροφοριών που κατακλύζουν τις αισθήσεις μας, είμαστε σε θέση να επικεντρωθούμε σε ό,τι είναι σημαντικό και να ενεργήσουμε σύμφωνα με αυτό.

Οι διαδικασίες προσοχής είναι ο τρόπος του εγκεφάλου να ρίξει έναν προβολέα στα σχετικά ερεθίσματα και να φιλτράρει τα υπόλοιπα. Οι νευροεπιστήμονες θέλουν να προσδιορίσουν τα κυκλώματα που στοχεύουν και ενεργοποιούν αυτόν τον προβολέα. Για δεκαετίες, οι μελέτες τους περιστρέφονται γύρω από τον φλοιό, τη διπλωμένη δομή στο εξωτερικό του εγκεφάλου που συνήθως σχετίζεται με τη νοημοσύνη και τη γνωστική ικανότητα ανώτερης τάξης. Έχει γίνει σαφές ότι η δραστηριότητα στον φλοιό ενισχύει την αισθητηριακή επεξεργασία για να ενισχύσει τα χαρακτηριστικά ενδιαφέροντος.

Αλλά τώρα, ορισμένοι ερευνητές δοκιμάζουν μια διαφορετική προσέγγιση, μελετώντας πώς ο εγκέφαλος καταστέλλει τις πληροφορίες και όχι πώς τις αυξάνει. Ίσως το πιο σημαντικό, ανακάλυψαν ότι αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει πιο αρχαίες περιοχές πολύ πιο βαθιά στον εγκέφαλο - περιοχές που δεν λαμβάνονται συχνά υπόψη όταν έρχεται η προσοχή.

Με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες άρχισαν άθελά τους να κάνουν μικρά βήματα προς την καλύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το σώμα και το μυαλό —μέσω αυτόματων αισθητηριακών εμπειριών, φυσικών κινήσεων και υψηλότερου επιπέδου συνείδησης— συνδέονται βαθιά και άρρηκτα.

Κυνήγι κυκλωμάτων

Για πολύ καιρό, επειδή η προσοχή φαινόταν τόσο περίπλοκα συνδεδεμένη με τη συνείδηση ​​και άλλες σύνθετες λειτουργίες, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι ήταν πρώτα και κύρια ένα φλοιώδες φαινόμενο. Μια σημαντική απόκλιση από αυτή τη γραμμή σκέψης έγινε το 1984, όταν ο Francis Crick, γνωστός για το έργο του στη δομή του DNA, πρότεινε ότι ο προβολέας της προσοχής ελέγχεται από μια περιοχή βαθιά στον εγκέφαλο που ονομάζεται θάλαμος, μέρη της οποίας λαμβάνουν πληροφορίες από αισθητηριακούς τομείς και τροφοδοτούν πληροφορίες στον φλοιό. Ανέπτυξε μια θεωρία σύμφωνα με την οποία ο αισθητηριακός θάλαμος δεν λειτουργούσε απλώς ως σταθμός αναμετάδοσης, αλλά και ως φύλακας - όχι απλώς γέφυρα, αλλά κόσκινο - σταματώντας μέρος της ροής δεδομένων για να εδραιωθεί ένα ορισμένο επίπεδο εστίασης.

Αλλά πέρασαν δεκαετίες και οι προσπάθειες για τον εντοπισμό ενός πραγματικού μηχανισμού αποδείχθηκαν λιγότερο καρποφόρες - κυρίως λόγω του πόσο εξαιρετικά δύσκολο είναι να καθιερωθούν μέθοδοι για τη μελέτη της προσοχής σε πειραματόζωα.

Αυτό δεν εμπόδισε τον Michael Halassa, νευροεπιστήμονα στο McGovern Institute for Brain Research στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. Ήθελε να προσδιορίσει πώς ακριβώς φιλτράρονταν οι αισθητηριακές εισροές πριν φτάσουν οι πληροφορίες στον φλοιό, για να εντοπίσει το ακριβές κύκλωμα που υπονοούσε ότι η δουλειά του Crick θα ήταν εκεί.

Τον τράβηξε ένα λεπτό στρώμα ανασταλτικών νευρώνων που ονομάζεται θαλαμικός δικτυωτός πυρήνας (TRN), ο οποίος τυλίγεται γύρω από τον υπόλοιπο θάλαμο σαν κέλυφος. Όταν ο Halassa ήταν μεταδιδακτορικός ερευνητής, είχε ήδη βρει ένα χονδροειδές επίπεδο πύλης σε αυτήν την περιοχή του εγκεφάλου:Το TRN φαινόταν να αφήνει τις αισθητηριακές εισροές να περάσουν όταν ένα ζώο ήταν ξύπνιο και προσεκτικό σε κάτι στο περιβάλλον του, αλλά τις κατέστειλε όταν Το ζώο κοιμόταν.

Το 2015, ο Halassa και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ένα άλλο, λεπτότερο επίπεδο πύλης που ενέπλεξε περαιτέρω το TRN ως μέρος του πολυπόθητου κυκλώματος του Crick - αυτή τη φορά που περιλαμβάνει τον τρόπο με τον οποίο τα ζώα επιλέγουν σε τι να επικεντρωθούν όταν η προσοχή τους μοιράζεται σε διαφορετικές αισθήσεις. Στη μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ποντίκια που είχαν εκπαιδευτεί να τρέχουν σύμφωνα με τις οδηγίες με φώτα που αναβοσβήνουν και σαρωτικούς ήχους. Στη συνέχεια, παρουσίασαν ταυτόχρονα στα ζώα αντικρουόμενες εντολές από τα φώτα και τους τόνους, αλλά και τους υπέδειξαν ποιο σήμα να αγνοήσουν. Οι απαντήσεις των ποντικών έδειξαν πόσο αποτελεσματικά εστίαζαν την προσοχή τους. Καθ' όλη τη διάρκεια της εργασίας, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν καθιερωμένες τεχνικές για να σταματήσουν τη δραστηριότητα σε διάφορες περιοχές του εγκεφάλου για να δουν τι παρεμβαίνει στην απόδοση των ζώων.

Όπως ήταν αναμενόμενο, ο προμετωπιαίος φλοιός, ο οποίος εκδίδει εντολές υψηλού επιπέδου σε άλλα μέρη του εγκεφάλου, ήταν κρίσιμος. Αλλά η ομάδα παρατήρησε επίσης ότι εάν μια δοκιμή απαιτούσε από τα ποντίκια να παρακολουθήσουν την όραση, η ενεργοποίηση των νευρώνων στο οπτικό TRN παρενέβαινε στην απόδοσή τους. Και όταν αυτοί οι νευρώνες αποσιωπήθηκαν, τα ποντίκια είχαν μεγαλύτερη δυσκολία να δώσουν προσοχή στον ήχο. Στην πραγματικότητα, το δίκτυο έστρεφε τα πόμολα σε ανασταλτικές διαδικασίες, όχι σε διεγερτικές, με το TRN να αναστέλλει πληροφορίες που ο προμετωπιαίος φλοιός θεωρούσε ότι αποσπά την προσοχή. Εάν το ποντίκι έπρεπε να δώσει προτεραιότητα στις ακουστικές πληροφορίες, ο προμετωπιαίος φλοιός είπε στον οπτικό TRN να αυξήσει τη δραστηριότητά του για να καταστείλει τον οπτικό θάλαμο — αφαιρώντας άσχετα οπτικά δεδομένα.

Η μεταφορά του προβολέα της προσοχής ήταν οπισθοδρομική:Ο εγκέφαλος δεν έλαμπε το φως σε ερεθίσματα ενδιαφέροντος. χαμήλωσε τα φώτα σε όλα τα άλλα.

Παρά την επιτυχία της μελέτης, οι ερευνητές αναγνώρισαν ένα πρόβλημα. Είχαν επιβεβαιώσει την προαίσθηση του Crick:Ο προμετωπιαίος φλοιός ελέγχει ένα φίλτρο για τις εισερχόμενες αισθητηριακές πληροφορίες στον θάλαμο. Αλλά ο προμετωπιαίος φλοιός δεν έχει άμεσες συνδέσεις με τα αισθητήρια τμήματα του TRN. Κάποιο μέρος του κυκλώματος έλειπε.

Μέχρι τώρα. Ο Halassa και οι συνεργάτες του έβαλαν επιτέλους τα υπόλοιπα κομμάτια στη θέση τους και τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν πολλά για το πώς πρέπει να προσεγγίζουμε τη μελέτη της προσοχής.

Σκόπωση, Θαμπάδα, Αναβοσβήνει

Με καθήκοντα παρόμοια με αυτά που είχαν χρησιμοποιήσει το 2015, η ομάδα διερεύνησε τις λειτουργικές επιδράσεις διαφόρων περιοχών του εγκεφάλου μεταξύ τους, καθώς και τις νευρωνικές συνδέσεις μεταξύ τους. Το πλήρες κύκλωμα, βρήκαν, πηγαίνει από τον προμετωπιαίο φλοιό σε μια πολύ βαθύτερη δομή που ονομάζεται βασικά γάγγλια (συχνά σχετίζεται με τον έλεγχο του κινητήρα και μια σειρά από άλλες λειτουργίες), μετά στο TRN και στον θάλαμο, πριν τελικά ανέβει σε υψηλότερο επίπεδο. φλοιώδεις περιοχές. Έτσι, για παράδειγμα, καθώς οι οπτικές πληροφορίες περνούν από το μάτι στον οπτικό θάλαμο, μπορεί να υποκλαπούν σχεδόν αμέσως εάν δεν είναι σχετικές με τη δεδομένη εργασία. Τα βασικά γάγγλια μπορούν να παρέμβουν και να ενεργοποιήσουν το οπτικό TRN για να εξαφανίσει τα ξένα ερεθίσματα, σύμφωνα με την οδηγία του προμετωπιαίου φλοιού.

«Είναι ένα ενδιαφέρον μονοπάτι ανατροφοδότησης, το οποίο δεν νομίζω ότι έχει περιγραφεί στο παρελθόν», είπε ο Richard Krauzlis, νευροεπιστήμονας στο Εθνικό Ινστιτούτο Οφθαλμών στο Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας στο Μέριλαντ, ο οποίος δεν συμμετείχε σε αυτή τη μελέτη.

Επιπλέον, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ο μηχανισμός δεν φιλτράρει απλώς μια αίσθηση για να αυξήσει την ευαισθητοποίηση για μια άλλη:Φιλτράρει επίσης τις πληροφορίες με μία μόνο αίσθηση. Όταν τα ποντίκια κλήθηκαν να δώσουν προσοχή σε ορισμένους ήχους, το TRN βοήθησε στην καταστολή του άσχετου θορύβου περιβάλλοντος μέσα στο ακουστικό σήμα. Οι επιδράσεις στην αισθητηριακή επεξεργασία «μπορεί να είναι πολύ πιο ακριβείς από την απλή καταστολή ολόκληρης της θαλαμικής περιοχής για έναν αισθητηριακό τρόπο, που είναι μια μάλλον αμβλύ μορφή καταστολής», δήλωσε ο Duje Tadin, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ.

«Συχνά παραμελούμε τον τρόπο με τον οποίο απαλλαγούμε από πράγματα που είναι λιγότερο σημαντικά», πρόσθεσε. «Και συχνά, νομίζω ότι αυτός είναι ένας πιο αποτελεσματικός τρόπος αντιμετώπισης των πληροφοριών». Εάν βρίσκεστε σε ένα θορυβώδες δωμάτιο, μπορείτε να δοκιμάσετε να υψώσετε τη φωνή σας για να ακουστεί — ή μπορείτε να προσπαθήσετε να εξαλείψετε την πηγή του θορύβου. (Ο Tadin μελετά αυτού του είδους την καταστολή του παρασκηνίου σε άλλες διαδικασίες που συμβαίνουν πιο γρήγορα και αυτόματα από την επιλεκτική προσοχή.)

Τα ευρήματα της Halassa δείχνουν ότι ο εγκέφαλος παραμερίζει τις ξένες αντιλήψεις νωρίτερα από το αναμενόμενο. «Αυτό που είναι ενδιαφέρον», είπε ο Ian Fiebelkorn, ένας γνωστικός νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, είναι ότι «το φιλτράρισμα ξεκινά από αυτό το πρώτο βήμα, πριν καν φτάσουν οι πληροφορίες στον οπτικό φλοιό».

Υπάρχει, ωστόσο, μια προφανής αδυναμία στη στρατηγική του εγκεφάλου να πετάει τις αισθητηριακές πληροφορίες με αυτόν τον τρόπο - δηλαδή, ο κίνδυνος ότι οι παρατημένες αντιλήψεις μπορεί να είναι απροσδόκητα σημαντικές. Η εργασία του Fiebelkorn υποδηλώνει ότι ο εγκέφαλος έχει έναν τρόπο να αντισταθμίσει αυτούς τους κινδύνους.

Όταν οι άνθρωποι σκέφτονται τον προβολέα της προσοχής, λέει ο Fiebelkorn, το σκέφτονται ως μια σταθερή, συνεχώς λαμπερή δέσμη που φωτίζει εκεί που ένα ζώο πρέπει να κατευθύνει τους γνωστικούς πόρους του. Αλλά «αυτό που δείχνει η έρευνά μου είναι ότι αυτό δεν είναι αλήθεια», είπε. "Αντίθετα, φαίνεται ότι τα φώτα της δημοσιότητας αναβοσβήνουν."

Σύμφωνα με τα ευρήματά του, το επίκεντρο του προσεχούς προβολέα φαίνεται να γίνεται σχετικά πιο αδύναμο περίπου τέσσερις φορές το δευτερόλεπτο, προφανώς για να αποτρέψει τα ζώα από το να παραμείνουν υπερβολικά εστιασμένα σε μια μεμονωμένη θέση ή ερέθισμα στο περιβάλλον τους. Αυτή η πολύ σύντομη καταστολή του τι είναι σημαντικό δίνει σε άλλα, περιφερειακά ερεθίσματα μια έμμεση ώθηση, δημιουργώντας μια ευκαιρία στον εγκέφαλο να στρέψει την προσοχή του σε κάτι άλλο, εάν είναι απαραίτητο. "Ο εγκέφαλος φαίνεται να είναι καλωδιωμένος ώστε να αποσπάται περιοδικά η προσοχή", είπε.

Ο Fiebelkorn και οι συνάδελφοί του, όπως και η ομάδα του Halassa, αναζητούν επίσης υποφλοιώδεις περιοχές για να εξηγήσουν αυτήν την καλωδίωση. Προς το παρόν, έχουν μελετήσει τον ρόλο ενός ακόμη τμήματος του θαλάμου, αλλά σκοπεύουν να εξετάσουν και τα βασικά γάγγλια στο μέλλον.

Γείωση της γνώσης σε δράση

Αυτές οι μελέτες σηματοδοτούν μια κρίσιμη μετατόπιση:Οι διαδικασίες προσοχής κάποτε θεωρούνταν ότι ήταν η επαρχία μόνο του φλοιού. Όμως, σύμφωνα με τον Krauzlis, τα τελευταία πέντε χρόνια «έχει γίνει λίγο πιο προφανές ότι υπάρχουν πράγματα που συμβαίνουν κάτω από τον φλοιό».

"Οι περισσότεροι άνθρωποι θέλουν ο εγκεφαλικός φλοιός να κάνει όλη τη βαριά ανύψωση για εμάς και δεν νομίζω ότι αυτό είναι ρεαλιστικό", δήλωσε ο John Maunsell, νευροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο.

Στην πραγματικότητα, η ανακάλυψη του ρόλου των βασικών γαγγλίων στην προσοχή από τη Halassa είναι ιδιαίτερα συναρπαστική. Αυτό οφείλεται εν μέρει επειδή είναι μια τόσο αρχαία περιοχή του εγκεφάλου, μια περιοχή που συνήθως δεν θεωρείται ως μέρος της επιλεκτικής προσοχής. «Τα ψάρια έχουν αυτό», είπε ο Krauzlis. «Επιστρέφοντας στα πρώτα σπονδυλωτά, όπως το λάμπρα, που δεν έχει σαγόνι» - ή νεοφλοιό, για αυτό το θέμα - «έχουν βασικά μια απλή μορφή βασικών γαγγλίων και μερικά από αυτά τα ίδια κυκλώματα». Το νευρωνικό κύκλωμα των ψαριών μπορεί να προσφέρει υποδείξεις σχετικά με το πώς εξελίχθηκε η προσοχή.

Η Halassa ενδιαφέρεται ιδιαίτερα για το τι μπορεί να αποκαλύψει η σύνδεση μεταξύ της προσοχής και των βασικών γαγγλίων σχετικά με καταστάσεις όπως η διαταραχή ελλειμματικής προσοχής υπερκινητικότητας και ο αυτισμός, που συχνά εκδηλώνονται ως υπερευαισθησία σε ορισμένα είδη εισροών.

Αλλά ίσως το πιο βαθιά ενδιαφέρον σημείο σχετικά με τη συμμετοχή των βασικών γαγγλίων είναι ότι η δομή συνδέεται συνήθως με τον κινητικό έλεγχο, αν και η έρευνα την εμπλέκει όλο και περισσότερο στη μάθηση με βάση την ανταμοιβή, τη λήψη αποφάσεων και άλλους τύπους συμπεριφοράς που βασίζονται στα κίνητρα επίσης. .

Με την εργασία που γίνεται στο εργαστήριο του Halassa, ο ρόλος των βασικών γαγγλίων έχει πλέον επεκταθεί για να συμπεριλάβει και τον αισθητηριακό έλεγχο. Αυτό υπογραμμίζει το γεγονός ότι «η προσοχή είναι πραγματικά η αλληλουχία από αυτό σε εκείνο με τη σωστή σειρά και να βεβαιωθείτε ότι δεν αποσπάτε την προσοχή σας από πράγματα που δεν πρέπει να σας αποσπούν», είπε ο Maunsell. «Η ιδέα ότι οι κινητικές δομές εμπλέκονται σε αυτό… είναι κατάλληλη, κατά κάποιο τρόπο — ότι θα πρέπει να βρίσκονται ακριβώς στο επίκεντρο της διαδικασίας για να αποφασίσετε τι θα παρακολουθήσετε στη συνέχεια, σε τι θα επικεντρώσετε τις αισθητηριακές σας πηγές στη συνέχεια». /P>

Αυτό συμβαδίζει με μια αυξανόμενη άποψη της προσοχής - και της γνώσης στο σύνολό της - ως διαδικασίες που βασίζονται σε αυτό που είναι γνωστό ως ενεργό συμπέρασμα. Ο εγκέφαλος δεν συλλέγει παθητικά πληροφορίες από το περιβάλλον και στη συνέχεια ανταποκρίνεται στα παρατηρούμενα εξωτερικά ερεθίσματα. Συμβαίνει και το αντίστροφο, με τις κινήσεις του σώματος τόσο μικρές όσο το τρεμόπαιγμα ενός ματιού να καθοδηγούν επίσης την αντίληψη. Τα αισθητήρια και τα κινητικά συστήματα «δεν λειτουργούν ανεξάρτητα και εξελίχθηκαν μαζί», είπε ο Fiebelkorn. Και έτσι οι κινητικές περιοχές δεν βοηθούν μόνο στη διαμόρφωση της παραγωγής (συμπεριφορά ενός ζώου). βοηθούν επίσης στη διαμόρφωση της εισόδου. Τα ευρήματα της Halassa παρέχουν περαιτέρω υποστήριξη για αυτόν τον πιο ενεργό ρόλο.

«Η αντίληψη υπηρετεί τη δράση, γιατί πρέπει να εκπροσωπούμε τον κόσμο για να δράσουμε σε αυτήν», δήλωσε η Heleen Slagter, γνωστική επιστήμονας στο Πανεπιστήμιο VU του Άμστερνταμ. «Το πώς μαθαίνουμε να αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο γύρω μας είναι πολύ μέσα από τη δράση». Το υψηλό επίπεδο διασύνδεσης με τον φλοιό υποδηλώνει ότι, ακόμη και πέρα ​​από την προσοχή, «αυτές οι υποφλοιώδεις δομές παίζουν πολύ πιο σημαντικό ρόλο στη γνωστική ικανότητα ανώτερης τάξης από ό,τι νομίζω ότι θεωρείται συχνά».

Και αυτό, με τη σειρά του, θα μπορούσε να δώσει υποδείξεις για το πώς να σκεφτόμαστε τη συνείδηση, το πιο άπιαστο θέμα της νευροεπιστήμης. Όπως αποδεικνύεται από τη μελέτη του Halassa και άλλες έρευνες, «όταν εξετάζουμε τους νευρικούς συσχετισμούς της προσοχής, στην πραγματικότητα εξετάζουμε σε κάποιο βαθμό τους νευρικούς συσχετισμούς της αντίληψης», είπε ο Maunsell. "Είναι μέρος μιας ευρύτερης εικόνας, όσον αφορά την προσπάθεια να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί ο εγκέφαλος."

Ο Slagter τώρα μελετά τον ρόλο που μπορεί να παίξουν τα βασικά γάγγλια στη συνείδηση. «Βιώνουμε τον κόσμο όχι μόνο χρησιμοποιώντας το σώμα μας, αλλά λόγω του σώματός μας. Και οι εγκέφαλοι αντιπροσωπεύουν τον κόσμο για να ενεργούν με νόημα σε αυτόν», είπε. «Ως εκ τούτου, θα πίστευα ότι η συνειδητή εμπειρία πρέπει να είναι στενά συνδεδεμένη με τις πράξεις», όπως ακριβώς και η προσοχή. "Η συνείδηση ​​πρέπει να είναι προσανατολισμένη στη δράση."

Προστέθηκε διόρθωση στις 23 Σεπτεμβρίου:Προστέθηκε η σχέση του Michael Halassa με το McGovern Institute for Brain Research.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  TheAtlantic.com .