Исследователи выявили общий мозговой паттерн удивления

Учёные из Чикагского университета построили модель так называемой "сети удивления" головного мозга, которая отслеживает, насколько сильно ожидания человека были нарушены, и показали, что этот паттерн одинаково хорошо предсказывает моменты удивления в совершенно разных ситуациях: в лабораторной игре на обучение, захватывающих финальных минутах студенческого баскетбола и коротких анимациях, где герои то следуют привычным правилам, то их нарушают. Результаты опубликованы в журнале Nature Human Behaviour.

Вопрос, объединяет ли разные типы удивления (социальное, физическое, информационное) некий универсальный отпечаток в мозге, давно занимает учёных. Вместо того чтобы исследовать отдельные области, авторы работы (Циуэй Чжан и Моника Розенберг) решили проанализировать работу сотен участков мозга одновременно, отслеживая, как их сигналы меняются в моменты неожиданных событий.

Для создания модели использовали открытые данные с Университета Пенсильвании: 32 молодых испытуемых лежали в сканере, играя в обучающую игру. На каждом из 120 раундов вертолёт скрывался за верхним краем экрана и сбрасывал мешок в случайном месте на линии. Перед этим испытуемые должны были предугадать точку приземления. Обычно вертолёт действовал по шаблону, но иногда внезапно "перемещался" – степень неожиданности оценивали объективно. Сканер фиксировал динамику кровотока в 268 зонах мозга.

В отличие от традиционного долгосрочного анализа, исследователи смотрели на со-флуктуации – насколько сигналы каждой пары зон синхронизировались в отдельный момент времени. Эти данные, обработанные специальным алгоритмом, позволили выделить два набора связей: одни усиливались при высоком "уровне удивления", другие ослабевали. Разница между сильными и слабыми связями давала индивидуальный индекс удивления для каждого участника.

Далее авторы проверили, работает ли этот паттерн вне лаборатории: другая группа (20 человек) в сканере смотрела концовки баскетбольных матчей (национальный студенческий турнир США, NCAA). Для объективности использовали аналитический алгоритм: резкие изменения вероятности победы команды трактовались как "сюрприз", если они противоречили устоявшимся ожиданиям. Оказалось, что мозговая сеть, обнаруженная на игре с джойстиком, "узнавала" моменты неожиданности и во время спортивной трансляции, несмотря на различие контекстов.

Контрольные эксперименты показали: медленные или усреднённые паттерны, а также отдельные регионы мозга не работают так же хорошо. Критично роль согласованных колебаний между распределёнными зонами. При избирательном устранении связей "сеть удивления" теряла эффективность, особенно если отключали звенья, связанные с лобно-теменной системой и т.н. сетью пассивного режима (default mode network).

В финале анализировали ещё один набор данных — взрослые в MIT смотрели короткие видео с мультяшными персонажами, которые либо следовали логике, либо нарушали её (проходили сквозь стену), а также ролики с нелепыми физическими нарушениями (например, объекты проходит друг через друга). Сеть ярче реагировала на нарушения поведения персонажей, чем просто на странные физические события.

Авторы оговариваются: модель объясняет только часть вариативности реального удивления, влияние других факторов ещё предстоит изучать. Сэмплы маленькие, метод сканирования не идеален для глубоких мозговых областей, а само "удивление" определялось алгоритмом, а не субъективно испытуемыми.