Wzgórze górne to obszar śródmózgowia, który tradycyjnie uważa się za pomagający zwierzętom w orientacji w ważnych miejscach w przestrzeni, np. kierowaniu oczu i głowy w stronę jasnego błysku światła. Nowe badania przeprowadzone na University of Chicago pokazują, że ta część mózgu odgrywa również rolę w złożonych zadaniach poznawczych, takich jak kategoryzacja wizualna i podejmowanie decyzji.
W nowym badaniu opublikowanym w Neurobiologia naturynaukowcy zmierzyli informacje zawarte we wzorcach aktywności komórek mózgowych w wielu obszarach mózgu zaangażowanych w decyzje dotyczące kategorii wizualnych. Naukowcy monitorowali aktywność w górnym wzgórku (SC) i części tylnej kory ciemieniowej (PPC), obszarze kory mózgowej, który jest ważny dla decyzji dotyczących kategorii wizualnych. Ku swojemu zaskoczeniu zauważyli, że aktywność w SC była jeszcze bardziej zaangażowana niż PPC w kierowanie decyzjami dotyczącymi kategorii podejmowanymi przez badanych, co sugeruje, że pomaga ona koordynować procesy poznawcze wyższego rzędu, które tradycyjnie uważa się za zachodzące w neokorze.
„To naprawdę zaskakujące miejsce, w którym można znaleźć tego typu sygnały poznawcze, ponieważ ten obszar mózgu jest tradycyjnie kojarzony z prostszymi zachowaniami orientacji przestrzennej, a nawet funkcjami odruchowymi” — powiedział David Freedman, doktor, profesor neurobiologii i Neuroscience Institute na UChicago oraz starszy autor nowego badania. „Mamy tę ewolucyjnie starożytną strukturę mózgu, która wydaje się być jeszcze bardziej zaangażowana w złożone decyzje poznawcze niż obszary korowe, które badaliśmy w naszych eksperymentach”.
Starożytny obszar mózgu o zaskakujących mocach
Wszystkie zwierzęta, od ryb i gadów po ssaki, takie jak naczelne i ludzie, muszą szybko rozróżniać i kategoryzować obiekty w swoim polu widzenia. Czy obiekt poruszający się w ich kierunku jest przeszkodą czy zagrożeniem? Czy ta rzecz rzuca się na drapieżnika czy ofiarę?
SC to obszar mózgu, który ewolucyjnie jest zachowany u wszystkich kręgowców, nawet tych bez bardziej rozwiniętej neokorteksu. Pomaga on orientować ruchy głowy i oczu w kierunku bodźców wzrokowych i tradycyjnie uważano, że rozpoczyna odruchowe działania motoryczne poprzez przekazywanie danych z górnych obszarów mózgu. Jednak ostatnie badania wykazały, że jest on również zaangażowany w złożone zadania, takie jak wybór punktu orientacyjnego i zwracanie uwagi na bodźce w różnych lokalizacjach przestrzennych.
Freedman i jego zespół od lat badają inne obszary korowe o silnych połączeniach anatomicznych z SC. Te sąsiadujące obszary są zaangażowane w elastyczne i wymagające poznawczo zadania podejmowania decyzji, a naukowcy chcieli sprawdzić, czy SC jest również zaangażowane w bardziej abstrakcyjne myślenie. W ramach najnowszych badań wyszkolili małpy do wykonywania zadania polegającego na wizualnym podejmowaniu decyzji, w którym oglądały obrazy na ekranie komputera. Zwierzęta otrzymywały nagrody w postaci soku owocowego za naciskanie przycisku we właściwych momentach, aby przypisać obrazy do właściwych kategorii.
Podczas gdy badani wykonywali zadanie, badacze rejestrowali aktywność komórek mózgowych w SC i bocznym obszarze śródciemieniowym (LIP), części PPC, która wcześniej, jak wykazało laboratorium Freedmana, bierze udział w podejmowaniu decyzji o kategoriach podczas tego typu zadań. Ponieważ zadanie wymagało od badanych utrzymania wzroku w jednym miejscu i wskazywania swoich wyborów ruchem ręki, eksperymentalny projekt wyodrębnił aktywność mózgu potrzebną do kategoryzacji — nie ruchy oczu lub głowy, które zwykle uważa się za zadanie SC.
Naukowcy zaobserwowali dużą aktywność w SC, która kodowała kategorie obrazów, na które patrzyły zwierzęta, a aktywność ta była silniejsza niż w PPC. Przeprowadzili również eksperyment, w którym wstrzyknęli lek, aby tymczasowo znieczulić SC podczas tego samego zadania. Chociaż nie upośledziło to większości funkcji motorycznych i wzrokowych badanych, dramatycznie wpłynęło na ich zdolność do prawidłowej kategoryzacji obrazów, dopóki działanie leku nie ustało.
„Nasze wyniki pokazują, że ten obszar jest naprawdę ważny dla tego zadania” – powiedział Freedman. „Nawet w zadaniach, w których zwierzęta nie muszą poruszać oczami ani kierować uwagi w różne miejsca, górny wzgórek jest zaangażowany w te bardziej złożone zachowania poznawcze”.
Ten szczególny „kop” do rozwiązywania problemów
Freedman powiedział, że nie jest zaskakujące, że ta aktywność występuje w SC; może to coś znaczyć na temat tego, dlaczego ten obszar mózgu jest rekrutowany do rozwiązywania tak złożonych zadań. Ponieważ jest obecny u wszystkich kręgowców, od prymitywnych rekinów po współczesnych ludzi, był jednym z najwcześniejszych obszarów mózgu, który ewoluował, aby pomóc przetwarzać bodźce wizualne i generować odpowiadające im ruchy. Jednak w tym nowym badaniu jest również zaangażowany w zdecydowanie nieprzestrzenne funkcje. Czy to może być znak, że przetwarzanie przestrzenne zapewnia specjalny „kop” do rozwiązywania problemów?
Freedman zwrócił uwagę na rodzaj ruchów oczu i gestów dłoni, które ludzie wykonują, gdy proszą nas o przypomnienie sobie czegoś lub podjęcie decyzji. Na przykład, gdy ktoś pyta, co jadłeś na kolację wczoraj wieczorem, twoje oczy często wędrują w górę, jakby odpowiedź była napisana na suficie. Albo gdy rozważasz decyzję między dwoma wyborami, możesz poruszać rękami w górę i w dół jak dwiema stronami wagi.
„Część tych danych może nam powiedzieć, że wykonujemy tego rodzaju gesty przestrzenne i ruchy gałek ocznych, ponieważ przestrzenne części mózgu angażują się w pomaganie nam w wykonywaniu tych nieprzestrzennych funkcji poznawczych” – powiedziała główna autorka pracy, dr Barbara Peysakhovich, była studentka w laboratorium Freedmana, obecnie badaczka podoktorska na Harvardzie.
Albo wszyscy mieliśmy doświadczenie, gdy trudno nam było zrozumieć coś napisanego w formie tekstowej – na przykład długi komunikat prasowy na temat badań neurologicznych – ale gdy tylko ta sama informacja została przedstawiona w formie graficznej, od razu wszystko stawało się jasne.
„Mówią, że obraz jest wart tysiąca słów – nawet bardzo prosty diagram przestrzenny może szybko przekazać o wiele więcej informacji, niż można opisać” – powiedział Freedman. „To tak, jakby mózg stworzył ten piękny papier milimetrowy, którego może używać do rozwiązywania problemów przestrzennych i nieprzestrzennych”.
Badanie „Primate superior colliculus is causally engaged in abstract higher-order cognition” zostało dofinansowane przez National Institutes of Health (dotacje R01EY019041, U19NS107609, 1F31MH124395, F30EY033648, F31 EY029155) oraz Departament Obrony Vannevar Bush Faculty Fellowship (N000141912001). Inni autorzy to Barbara Peysakhovich, Ou Zhu, Stephanie M. Tetrick, Vinay Shirhatti, Alessandra A. Silva, Sihai Li, Matthew C. Rosen i W. Jeffrey Johnston z UChicago oraz Guilhem Ibos z UChicago i Institut de Neurosciences de la Timone, Aix-Marseille Université, Francja.
