Свежие исследования показывают, что мозг интерпретирует визуальный мир не только благодаря своей развитой внешней оболочке – коре. Учёные обнаружили: эволюционно более древний отдел мозга, верхнее двухолмие (superior colliculus), содержит нейронные сети, способные выполнять фундаментальные визуальные вычисления. Эти цепи позволяют мозгу отделять объекты от фона и определять наиболее важные визуальные сигналы в пространстве. Открытие, опубликованное в журнале PLOS Biology, меняет существующие представления о мозговой архитектуре.
Исследователи установили, что эта древняя система, общая для всех позвоночных, может независимо создавать так называемые взаимодействия «центр–окружение». Это ключевой визуальный процесс, помогающий обнаруживать границы, контрасты и важные детали в окружающей среде. На протяжении десятилетий считалось, что подобные вычисления являются исключительной прерогативой зрительной коры. Однако, как объясняет Андреас Кардамакис, руководитель Лаборатории нейронных цепей в зрении для действия при Институте нейронаук (IN) – совместном центре Испанского национального исследовательского совета (CSIC) и Университета Мигеля Эрнандеса (UMH) в Эльче, их работа показала, что верхнее двухолмие, гораздо более древняя структура с эволюционной точки зрения, также способно автономно выполнять эти задачи.
Получается, способность анализировать увиденное и решать, что заслуживает нашего внимания, не является недавним изобретением человеческого мозга. Этот механизм появился более полумиллиарда лет назад. Верхнее двухолмие функционирует как встроенный «радар», получая прямые сигналы от сетчатки ещё до того, как они достигают коры. Оно помогает определить, какие части визуальной сцены наиболее важны. Когда что-то движется, вспыхивает или внезапно появляется в поле зрения, эта структура реагирует первой, направляя взгляд к новому стимулу.
Для изучения этого процесса команда использовала передовые методы, включая оптигенетику, электрофизиологию и компьютерное моделирование. Активируя светом определённые пути сетчатки и записывая реакции в срезах мозга мышей, учёные обнаружили, что верхнее двухолмие может подавлять центральный визуальный сигнал, если активен прилегающий к нему участок. Это является характерной чертой обработки «центр–окружение». Эффект был подтверждён детальным картированием клеточных типов и крупномасштабными компьютерными симуляциями.
Верхнее двухолмие не просто передаёт визуальную информацию, но активно обрабатывает и фильтрует её, снижая реакцию на однородные стимулы и усиливая контрасты, говорит Куйсун Сонг, один из первых авторов статьи. Это демонстрирует, что способность выбирать или приоритизировать визуальную информацию заложена в древнейших подкорковых цепях мозга. Результаты указывают на то, что механизмы, управляющие вниманием, глубоко укоренены в древней архитектуре мозга, задолго до эволюции высших корковых областей.
Открытие ставит под сомнение традиционное представление о том, что сложная визуальная обработка происходит исключительно в коре головного мозга. Вместо этого оно подтверждает иерархическую модель, согласно которой древние структуры мозга выполняют основные вычисления, критически важные для выживания – например, обнаружение угроз, отслеживание движения или избегание препятствий. Понимание того, как эти предковые структуры способствуют визуальному вниманию, помогает нам также осознать, что происходит при сбоях в их работе. Нарушения, такие как дефицит внимания, сенсорная гиперчувствительность или некоторые формы черепно-мозговых травм, могут частично быть вызваны дисбалансом между кортикальной коммуникацией и этими фундаментальными цепями, отмечает Кардамакис.
В настоящее время исследовательская группа расширяет свою работу на живых животных моделях, чтобы изучить, как верхнее двухолмие формирует внимание и контролирует отвлечение во время целенаправленного поведения. Понимая, как визуальные отвлекающие факторы преобразуются в действия, учёные надеются раскрыть неврологическую основу внимания и его дисфункции в современной жизни, где визуальная перегрузка является обычным явлением.
Это исследование стало результатом масштабного сотрудничества между Каролинским институтом, Королевским технологическим институтом KTH (Швеция) и Массачусетским технологическим институтом (MIT, США). В нём также участвовала Тереза Фемения, исследовательница IN CSIC–UMH, сыгравшая ключевую роль в разработке экспериментальной части работы.
Развивая эти открытия, Андреас Кардамакис и Джованни Уссельо внесли главу в новую серию Evolution of Nervous Systems (Elsevier, 2025) под редакцией Дж. Х. Касса. Их работа расширяет эволюционную перспективу, сравнивая подкорковые зрительные системы у разных видов. Они демонстрируют, что структуры, аналогичные верхнему двухолмию – обнаруженные у рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих – имеют общую цель: объединение сенсорной и моторной информации для управления взглядом и вниманием.
Эта древняя организация мозга, сохранившаяся более 500 миллионов лет, стала основой, на которой кора позже развила свои высшие когнитивные функции. «Эволюция не заменила эти древние системы, она построила на них свои новые возможности», – объясняет Кардамакис. «Мы по-прежнему полагаемся на то же базовое «оборудование», чтобы решать, куда смотреть и что игнорировать».
Работа была поддержана Государственным исследовательским агентством Испании (Министерство науки, инноваций и университетов Испании), Программой центров передового опыта имени Северо Очоа, правительством Валенсии через программу CIDEGENT, Шведским исследовательским советом, Шведским фондом мозга и Фондом Олле Энгквиста.
