Активность мозга предсказывает рискованные решения за полсекунды до их принятия

Нейробиологи зафиксировали прямую активность электродов в орбитофронтальной коре человека. Они обнаружили два соседних контура, которые постоянно находятся в противостоянии: один подталкивает к риску, другой — к осторожности. Нейронные сигналы этих контуров предсказывают, примет человек решение идти на риск или избежать его, за полсекунды до совершения действия. Эти открытия могут стать мишенью для терапии при ОКР, депрессии и зависимости.

Прямое считывание активности с миллисекундной точностью: Исследователи использовали внутричерепные электроды у пациентов с эпилепсией, которым проводили операцию. Они наблюдали за активностью орбитофронтальной коры человека в реальном времени, минуя ограничения стандартных фМРТ-исследований.

Противоположные нейронные контуры: Медиальная часть коры (в области медиальной орбитальной борозды) активизируется при выборе риска. Латеральный участок, расположенный всего в двух сантиметрах, активизируется при избегании опасности. Эти области меняют активность быстро, как электрический переключатель, а не плавно, как регулятор громкости.

Клинический потенциал: Характер нейронной активности точно предсказывает выбор за 500 миллисекунд до физического действия. Это открывает возможности для создания биомаркеров, которые помогут точно настроить нейромодуляцию для лечения состояний, связанных с патологическим избеганием (таких как ОКР и депрессия) или компульсивным риском (например, при зависимости).

Каждый день наш мозг тысячи раз оценивает потенциальную опасность в сравнении с привлекательным вознаграждением. Стоит ли проскочить на желтый свет, чтобы не опоздать, или лучше затормозить? Снять еще доллар в казино или уйти?

Теперь междисциплинарная команда из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) и Калифорнийского университета в Беркли выявила анатомический центр, где принимаются эти судьбоносные решения.

Результаты исследования, опубликованные в Nature Neuroscience, показывают, что два соседних участка в орбитофронтальной коре вступают в быструю борьбу сигналов, предсказывая выбор участника примерно за полсекунды до его реализации.

«Мы давно подозревали, что этот регион отвечает за сопоставление награды и риска, но до сих пор не имели возможности измерить это в реальном времени непосредственно в мозге человека», — пояснил доктор медицинских наук Эдвард Чанг, заведующий отделением нейрохирургии UCSF и один из ведущих авторов исследования.

Выход за пределы фМРТ с помощью иммерсивных игр

Долгое время исследования принятия решений у людей основывались в основном на функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Однако полости, заполненные воздухом за глазами, искажают магнитные поля, мешая сканерам получать чистые сигналы из орбитофронтальной коры. Кроме того, статичные фМРТ-задания часто не вовлекают участников.

«Они засыпали, и я не думал, что им действительно важно то, что они делают», — рассказала ведущий автор доктор Клэр Старквезер, ординатор нейрохирургии UCSF. «Но потом я видела, как пациенты в кроватях играют в Candy Crush, полностью погрузившись в процесс».

Чтобы использовать эту искреннюю внутреннюю мотивацию, Старквезер разработала иммерсивную видеоигру. Участники перемещаются по запутанным коридорам, усеянным взрывчаткой, чтобы добраться до светящихся сундуков с сокровищами. В каждом испытании игроки сталкиваются с критическим выбором: рискнуть пройти по коридору с бомбами ради шанса получить драгоценные рубины или избежать его, чтобы сохранить свой счет.

Шесть пациентов, которым были временно имплантированы внутричерепные электроды для оценки эпилепсии, согласились сыграть в игру, пока их нейронная активность отслеживалась с миллисекундной точностью.

Биологическое перетягивание каната

Прямые внутричерепные записи выявили четкое анатомическое разделение:

• Медиальная орбитальная борозда: Расположенная ближе к центру лба, эта область резко активизируется, когда игрок решает пойти на риск.
• Латеральный участок орбитофронтальной коры: Находящийся примерно в двух сантиметрах наружу, ближе к виску, этот участок показывает всплеск активности всякий раз, когда игрок выбирает отступление или безопасное решение.

Эти соседние кластеры работали в точной обратной синхронизации. Когда один активизировался, другой утихал.

Традиционные нейровычислительные модели предполагали, что решения принимаются путем накопления сенсорных данных с течением времени до пересечения определенного порога — подобно плавному повороту регулятора. Однако вычислительное моделирование, разработанное Старквезер и ведущим автором доктором Робертом Найтом из Калифорнийского университета в Беркли, показало совершенно иную картину.

«То, что мы увидели, больше напоминало переключатель, который щелкал туда-сюда, колеблясь между двумя крайностями, пока одна из них не побеждала», — сказал Найт. В очевидных случаях, например, когда коридор полон сокровищ и не содержит бомб, сигнал «идти» побеждал почти мгновенно. В неоднозначных, сложных ситуациях обе области быстро меняли активность, прежде чем одна сторона окончательно брала верх.

Наблюдая, какой контур побеждает в этой борьбе, ученые могли с высокой точностью предсказать, сделает ли участник шаг вперед или отступит, за 500 миллисекунд до того, как его рука коснется элементов управления.

Персонализация психиатрической нейромодуляции

Эти выводы имеют огромное значение для нейропсихиатрии. Нарушение баланса между стремлением к цели и избеганием лежит в основе многих изнурительных заболеваний. Большое депрессивное расстройство, тяжелая тревожность и обсессивно-компульсивное расстройство (ОКР) часто проявляются как гиперактивное избегание риска, тогда как злоупотребление психоактивными веществами и патологическое пристрастие к азартным играм отражают неуправляемое стремление вперед.

Хотя глубокая стимуляция мозга (DBS) и транскраниальная стимуляция все чаще используются для лечения тяжелых психических заболеваний, попытки воздействовать на орбитофронтальную кору давали неоднозначные результаты, поскольку эту область рассматривали как единое целое. Разделение «тормозящей» зоны от «стартовой» всего в двух сантиметрах друг от друга может позволить клиницистам точно калибровать нейромодуляцию с миллиметровой точностью.

«В настоящее время психиатрия в основном полагается на вопросы о самочувствии пациентов», — сказала Старквезер. «Я хочу дать ей нечто более объективное: реальную, измеримую сигнатуру того, как мозг человека оценивает риск, чтобы лечение могло быть нацелено на конкретный неисправный контур, помимо общей оценки настроения».