Нейробиологи из Брауновского университета в США изучили роль кратковременных всплесков возбуждения нервной системы, которые возникают при столкновении с неожиданными событиями. Такие реакции давно связывали с расширением зрачков, компонентом P300 на электроэнцефалограмме и активностью голубого пятна — небольшой структуры ствола мозга, участвующей в выработке норадреналина. До сих пор не было ясно, какую именно функцию выполняют эти сигналы.
Исследователи предложили гипотезу: подобные всплески помогают мозгу переключаться между скрытыми внутренними состояниями — своеобразными моделями контекста, позволяющими человеку интерпретировать происходящее и принимать решения. Если окружающая среда действительно изменилась, прежняя модель должна быть быстро заменена новой. Это помогает избежать ситуации, когда новые события продолжают ошибочно объясняться старыми правилами.
Для проверки гипотезы провели серию экспериментов с участием 63 здоровых добровольцев 18-40 лет (средний возраст составил 24,4 года, 33 участника были женщинами). При выполнении задания у них одновременно регистрировали диаметр зрачков и электрическую активность мозга с помощью 64-канальной ЭЭГ. Для анализа данных о зрачках учитывали записи 60 человек, для ЭЭГ — 57, а обе методики одновременно применили у 56 участников. Результаты опубликованы в журнале Nature Human Behaviour.
Участники выполняли специальную задачу на прогнозирование и воспроизведение цветов. На каждом испытании им на 200 миллисекунд показывали два цветных квадрата, затем надо было воспроизвести увиденные цвета по памяти и предсказать, какими они окажутся на следующем этапе.
Эксперимент включал два сценария. В первом цвет неожиданно менялся и затем сохранялся на новом уровне, что имитировало устойчивое изменение среды. Во втором неожиданное отклонение было случайным эпизодом, после которого система возвращалась к прежнему состоянию. Вероятность неожиданных событий в обоих случаях составляла 0,15, а каждый блок содержал по 120 испытаний.
Так исследователи смогли разделить две разные ситуации. В первом случае неожиданность означала, что окружающий мир действительно изменился и накопленный опыт необходимо пересмотреть. Во втором она представляла собой лишь случайный выброс, который не должен был существенно менять дальнейшие ожидания.
Результаты подтвердили все пять сформулированных прогнозов. Чем выше была вероятность того, что произошло изменение скрытого состояния, тем сильнее расширялись зрачки участников через 1,5-4 секунды после предъявления стимула. Одновременно усиливался ранний компонент P3a комплекса P300 — примерно через 450 миллисекунд после возникновения неожиданного события. Более поздний компонент P3b подобной связи практически не показал.
Физиологические сигналы сопровождались изменением поведения. Когда неожиданность означала переход к новому состоянию, люди быстрее перестраивали прогнозы и активнее учились на новой информации. Если же неожиданное событие было случайным отклонением, ученые наблюдали противоположную картину: скорость обучения снижалась, что помогало не переоценивать значение единичного необычного эпизода.
Авторы исследования привели пример: представьте, что вы каждый день ходите в одно и то же кафе и знаете, чего ожидать. Если однажды повар заболеет и его временно заменит другой, имеет смысл перестроить свои ожидания о качестве блюд или подаче. Но если одно блюдо окажется непривычным лишь по случайной причине, менять мнение обо всем кафе не стоит. Именно такие ситуации моделировали в эксперименте.
Расширение зрачков также оказалось связано с уменьшением так называемого перцептивного смещения. Обычно человек воспринимает новые данные через призму собственных ожиданий, но после событий, указывающих на смену состояния среды, эта зависимость ослабевала. То есть мозг начинал больше доверять новой информации, а не старым представлениям.
Еще один важный результат исследования касался внутренних перестроек мозга, не вызванных внешними стимулами. После случайных отклонений исследователи обнаружили дополнительное расширение зрачков уже во время подготовки следующего прогноза. Ученые назвали этот эффект признаком второго внутреннего переключения, необходимого для возврата к обычной модели окружающего мира после обработки случайного события. Люди, у которых такой сигнал был выражен сильнее, успешнее различали ситуации, требующие изменения стратегии обучения, и ситуации, когда делать этого не следовало.
Дополнительный анализ показал, что добровольцы, у которых расширение зрачков сильнее всего зависело от изменения восприятия, демонстрировали и наиболее сильную связь между этими физиологическими реакциями и обучением. Значит, оба эффекта отражали единый механизм обновления внутренних представлений человека о мире.
Результаты нового исследования хорошо согласуются с гипотезой о роли системы голубого пятна и норадреналина в быстрой перестройке активности мозга, но напрямую активность этой структуры ученые не измеряли. Их работа опиралась лишь на косвенные показатели — расширение зрачков и сигналы ЭЭГ, которые могут отражать работу и других нейромедиаторных систем, включая ацетилхолин, серотонин и орексин. Поэтому не удалось окончательно установить, какой именно механизм лежал в основе обнаруженных эффектов. Для окончательного подтверждения гипотезы необходимы новые исследования.