Нейробиологи из Университета Дьюка составили карту времени и последовательности нейронных активаций, которые разворачиваются в мозгу, когда люди сосредотачивают свое внимание на определенных местах в своих полях зрения.
Полученные данные могут указать врачам путь к решению проблем, связанных с вниманием, сказал член исследовательской группы Марти Уолдорф, заместитель директора Центра когнитивной нейробиологии и доцент кафедры психиатрии.
"Существует ряд клинических синдромов, при которых внимание нарушается, включая шизофрению, аутизм и синдром дефицита внимания с гиперактивностью," Волдорф сказал. "Более того, возможности внимания меняются при нормальном и ненормальном старении."
Результаты опубликованы в январе 2007 г. в журнале Public Library of Science (PLoS) Biology. Исследование было поддержано Национальным институтом психического здоровья и Национальным институтом неврологических заболеваний и инсульта.
В этом исследовании исследователи объединили информацию из двух различных технологий измерения активности мозга, чтобы получить представление об основных механизмах, с помощью которых люди ориентируются и фокусируют свое визуальное пространственное внимание.
"В каждый момент нашей жизни мы наводнены сенсорными стимулами, поступающими с разных сторон," Вольдорф и соисследователь Тинеке Грент-Йонг написали в журнальном отчете. Грент-‘т-Йонг – научный сотрудник Центра когнитивной неврологии Герцога и аспирант психофармакологии Утрехтского университета в Нидерландах.
Этот сенсорный поток охватывает "гораздо больше информации, чем мы можем полностью обработать," Они сказали. "Критическая функция внимания позволяет нам в каждый момент непрерывно выбирать и извлекать наиболее важную информацию из этого потока сенсорных входов."
Примером такого сфокусированного визуального внимания, которое исследовали исследователи, является то, что происходит, когда автомобилист наблюдает за движением перед своей машиной, а также краем глаза отслеживает движение велосипедиста, крутящего педали на обочине дороги. Этот пример проиллюстрирован на веб-сайте лаборатории Вольдорфа по адресу http: // www.разум.герцог.edu / факультет / woldorff /.
"Когда мы направляем наше внимание на такие конкретные места или события – в данном случае на велосипедиста в стороне – мы склонны быстрее различать или обнаруживать изменения там, чем в других местах нашего поля зрения, которые не так посещаемы," Волдорф сказал.
Предыдущие исследования, в том числе несколько исследователей Дьюка, связали такие процессы внимания с активностью мозга, которая происходит в так называемом "лобно-теменная сеть контроля внимания." Эта сеть состоит из областей нервных клеток, расположенных в передней и верхней задней или теменной частях мозга.
Предыдущие исследования также показали, что области зрительной коры, расположенные в нижней задней части мозга, преимущественно обрабатывают информацию, поступающую из мест или объектов в поле зрения, на которые направлено внимание.
Эти исследования дополнительно предположили, что лобно-теменная сеть может вызывать эту улучшенную обработку в зрительных областях посредством некоторых "смещение" или усиливающий сигнал.
Но "мало что известно о времени и последовательности активаций в этой лобно-теменной сети и их временном отношении к любому подобному смещению," ученые Герцога сказали в своем отчете.
Они заявили, что неопределенность в отношении таких характеристик обусловлена в основном конкретными техническими ограничениями двух основных технологий, используемых в настоящее время для мониторинга активности мозга у людей: функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) и записи связанного с событием потенциала (ERP).
Хотя с помощью фМРТ можно точно определить местонахождение такой мозговой активности, измеряя изменения в региональном кровотоке, связанные с повышенной нервной активностью, эта технология является "очень ограничен в отношении информации о времени, которую он может предоставить," Волдорф сказал. "Причина в том, что для изменения кровотока и получения измеримого сигнала фМРТ требуется несколько секунд."
По его словам, записи ERP, которые извлекаются из записей электроэнцефалографии (ЭЭГ), сделанных на коже черепа электрической активности в головном мозге, могут отражать реакции мозга на сенсорные и когнитивные события с точностью до миллисекунды. Но электрическую активацию мозга, обнаруженную с помощью ERP, сложнее отследить до их точного происхождения внутри мозга.
Чтобы преодолеть эти ограничения, Грент-Джонг и Вольдорф объединили ответы мозга от двух технологий, записанные в идентичных экспериментах.
"Чтобы эффективно понять, как мозг выполняет когнитивные функции, очень важно уметь разграничивать как задействованные области мозга, так и время и последовательность их активации," Волдорф объяснил.
В экспериментах участников просили направлять взгляд в центр экрана компьютера. Затем им была представлена серия четырехсекундных испытаний, каждое из которых начиналось с появления "учебный" буквенная подсказка о том, что участников научили интерпретировать. Например, участникам может быть показано "L" сигнал, инструктирующий их сосредоточить свое внимание "тайно" — то есть, не двигая глазами – в место в левой части экрана.
Большинство таких буквенных сигналов инструктировали участников направить свое внимание на определенное место на экране и обратить внимание на возможную слабую точку "цель" которые могут появиться там в течение следующих секунд или двух. Однако во время некоторых испытаний сигнал побуждал участников не направлять внимание на конкретное место, потому что в этом испытании цель не появлялась.
Во всех испытаниях участники должны были расшифровать и интерпретировать значение инструктивного буквенного сигнала. Но только в ответ на сигналы направления внимания участники также направили свое визуальное внимание. В результате исследователи смогли отделить активность мозга, конкретно связанную с ориентацией внимания, от активности, связанной с общей обработкой сигналов.
Результаты фМРТ, впервые опубликованные в январе 2004 г. в Journal of Cognitive Neuroscience, показали, что латеральные части лобно-теменной сети более вовлечены в "интерпретация подсказки," Вольдорф сказал. Между тем регионы сети, расположенные ближе к средней линии мозга, были более конкретно вовлечены в "ориентация на внимание."
Но поскольку записи фМРТ не могут определить относительное время этих активаций, исследователи начали свое текущее исследование, которое следовало той же экспериментальной схеме, что и в предыдущем исследовании, но включало чувствительные ко времени записи ERP.
Исследование показало, что как сигналы, привлекающие внимание, так и "нет цели не появится" реплики вызывали аналогичную электрическую активность в течение первых 300-400 миллисекунд после их появления на экране. После этого электрическая активность мозга для "нет цели не появится" реплики быстро угасали, в то время как активность для привлечения внимания продолжалась в течение длительного периода.
Согласно Гренту-Джонгу и Волдорфу, эти результаты показали, что первоначальный электрический отклик продолжительностью до 400 миллисекунд в основном отражал общую активность обработки сигналов. Напротив, более поздняя продолжающаяся электрическая активность была в первую очередь связана с тем, что участники следовали инструкциям по направлению внимания, чтобы скрытно направить внимание на левую или правую сторону экрана.
Длительная реакция на сигналы направления внимания сначала начиналась только с передней части волосистой части головы, а затем распространялась на теменные области черепа на макушке и верхней части задней части головы. Этот паттерн активности ERP предполагает первоначальное начало ориентации внимания только в лобных областях, за которым следует совместная активность как в лобных, так и в теменных областях мозга, контролирующих внимание, сказал Уолдорф. Дополнительный компьютерный анализ, объединяющий записи фМРТ и ERP, подтвердил эту последовательность.
Записи активности мозга также показали, что активность по ориентации внимания в лобно-теменных областях сети сопровождалась повышенной активностью в зрительной коре до появления любого визуального целевого стимула.
Волдорф сказал, что активность в зрительной коре головного мозга до того, как цель даже будет представлена, кажется, отражает предварительное смещение этих сенсорных областей мозга, чтобы облегчить обработку для возможной предстоящей цели. Более того, эта смещающая активность была исключительной для той части зрительной коры головного мозга, которая соответствовала той области пространства, где должна была появиться приближающаяся цель.
Эти результаты показывают, что сначала активируются определенные области лобной коры, а затем теменной коры, в последовательности, которая инициирует смещение фокуса зрительного внимания в пространстве, согласно Уолдорфу. "Затем эти лобные и теменные области, кажется, работают вместе, чтобы осуществлять контроль над сенсорными входами на ранних стадиях зрительных путей," он сказал.
По его словам, этот элемент управления, по-видимому, заставляет соответствующие области мозга более полно обрабатывать определенные аспекты визуальной сцены. В этом конкретном исследовании прайминг проводился для определенной области поля зрения. В других случаях мозг может быть настроен на определенный цвет или форму.
В случае гипотетического автомобилиста и велосипедиста исследователей, "такая расширенная обработка может затем позволить автомобилисту быстрее реагировать, чтобы избежать аварии, если велосипедист внезапно совершит неожиданное движение к машине," Вольдорф сказал.
Источник: Университет Дьюка