Мозок поєднує зір і дотик: вчені виявили нові карти тіла

Науковці з проєкту Human Connectome Project провели масштабне дослідження, яке виявило несподівану організацію людського мозку. Вони з'ясували, що ділянки кори, які традиційно вважалися виключно зоровими, насправді містять детальні карти людського тіла, подібні до тих, що знаходяться у соматосенсорній корі.

У дослідженні взяли участь 174 людини з Міссурі, США. Середній вік учасників становив 29,3 роки. Під час експерименту їм демонстрували короткі відеокліпи тривалістю від однієї до чотирьох хвилин, об'єднані у чотири відео загальною тривалістю від 11,9 до 13,7 хвилин. Дані збирали за допомогою функціональної магнітно-резонансної томографії надвисокого поля у сім тесла з роздільною здатністю 1,6 міліметра.

Дослідники розробили новий метод аналізу, який вони назвали моделлю подвійного джерела зв'язкових полів. Цей підхід дозволяє одночасно відстежувати, як різні ділянки мозку реагують на інформацію з первинної зорової кори та первинної соматосенсорної кори. Для аналізу використовували 200 просторових профілів для кожної з цих областей, що дало змогу створити детальну картину зв'язків між різними частинами мозку.

Ключовим відкриттям стало те, що багато зорових областей мозку виявляють чітку соматотопічну організацію. Це означає, що різні частини цих зорових ділянок переважно реагують на інформацію про різні частини тіла, від ніг до обличчя. Така організація нагадує знаменитий гомункул Пенфілда, карту тіла у первинній соматосенсорній корі, яка була описана ще у середині двадцятого століття.

Щоб перевірити достовірність своїх результатів, науковці порівняли отримані карти з незалежними даними, зібраними за допомогою традиційних методів стимуляції. Для зорових карт використовували дані ретинотопічного картування, а для соматосенсорних карт залучили публічно доступний набір даних, де 62 учасники виконували рухи дванадцятьма різними частинами тіла, від пальців ніг до язика. Кореляція між картами, отриманими новим методом, та традиційними картами виявилася високою, що підтвердило валідність підходу.

Особливо цікаві результати були отримані для дорсолатеральної зорової кори та частин верхньої тім'яної частки. У цих областях дослідники виявили найбільш послідовну чутливість як до зорової, так і до соматосенсорної інформації на рівні окремих учасників. Статистичний аналіз показав, що ймовірність випадкового виникнення такої узгодженості надзвичайно низька.

Науковці також проаналізували, які саме частини соматосенсорної кори найбільше впливають на різні зорові області. Для цього вони використали визначення чотирьох топографічних полів у межах ділянки 3b первинної соматосенсорної кори: нижні кінцівки, тулуб, верхні кінцівки та обличчя. З'ясувалося, що різні зорові області демонструють різні профілі зв'язків з цими полями.

Дослідники також порівняли свою модель з альтернативною, яка передбачає дискретні зв'язки між окремими полями частин тіла, а не безперервні зв'язки вздовж усієї поверхні соматосенсорної кори. Виявилося, що повна модель краще пояснює дані у більшості областей мозку, хоча в деяких ділянках дискретна модель показала порівнянні результати.

Окремий аналіз був присвячений вивченню зв'язку між соматотопічними картами та зоровими картами частин тіла. Для цього використовували дані з іншого проєкту, де учасникам показували тисячі зображень з набору даних Common Objects in Context. За допомогою нейронної мережі Openpose визначали положення сімнадцяти ключових точок тіла на кожному зображенні. Це дозволило створити карту зорової чутливості до різних частин тіла.

Порівняння цієї карти зорової чутливості до частин тіла з соматотопічною картою, отриманою методом зв'язкових полів, виявило цікаві закономірності. У певних ділянках екстрастріарної кори спостерігалася значна кореляція між тим, які частини тіла представлені у соматосенсорних зв'язках, та тим, які частини тіла викликають найсильнішу зорову реакцію.

Дослідники також проаналізували зв'язок між соматотопією та ретинотопією у цих областях. Виявилося, що у деяких ділянках існує систематичний зв'язок між положенням у зоровому полі та представленням частин тіла. Зокрема, у ділянках, які відповідають за обробку інформації з нижньої частини зорового поля, спостерігалася більша чутливість до верхніх частин тіла, таких як обличчя.

Щоб оцінити надійність отриманих карт, науковці використали процедуру перестановок з фазово-скремблованими сурогатними картами. Ці сурогатні карти зберігали ту саму просторову частотну структуру, що й емпіричні дані, але з рандомізованою просторовою організацією. Емпіричні карти значно краще передбачали дані з незалежної вибірки учасників порівняно з будь-якою з десяти тисяч сурогатних карт.

Для оцінки охоплення кори використовували процедуру бутстрепу з десятьма тисячами повторних вибірок. Результати показали, що топографічна зв'язність значно перевищує нульову гіпотезу у широкому діапазоні соматосенсорних областей, включаючи не лише первинні, але й вторинні та асоціативні зони.

Дослідники також перевірили стійкість результатів за допомогою методу покращення кластерів без порогу, який контролює помилки сімейного типу з урахуванням просторових кореляцій у даних. Усі проаналізовані соматосенсорні регіони пройшли цю строгу корекцію на множинні порівняння.

Це дослідження відкриває нові перспективи для розуміння того, як мозок інтегрує інформацію з різних органів чуття. Виявлення соматотопічних карт у зорових областях свідчить про те, що мультисенсорна інтеграція може бути набагато більш фундаментальною властивістю організації кори, ніж вважалося раніше.