En studie fra MIT og Northeastern University viser at colliculus superior – en liten struktur i mellomhjernen – har ulike aktivitetsmønstre før mennesker utsettes for synsinntrykk eller berøring. Studien er publisert i Nature Neuroscience.

Forskerne mener funnene støtter teorien om prediktiv bearbeiding, der hjernen hele tiden forsøker å forutsi hva som kommer til å skje. Det betyr at områder som behandler sanseinformasjon, også kan bidra til å gjøre hjernen klar for inntrykk som ennå ikke har kommet.

Ulike lag reagerer på syn og berøring

Colliculus superior er ifølge forskerne «en av de best studerte strukturene i hjernestammen». Tidligere forskning på dyr har antydet at synsinformasjon i hovedsak behandles i de øvre lagene, mens berøring er knyttet til dypere lag. Den nye studien undersøkte om et tilsvarende mønster finnes hos mennesker.

Forskerne undersøkte 80 voksne ved hjelp av funksjonell magnetresonanstomografi med en magnetstyrke på 7 tesla. Med denne teknologien kunne de observere aktivitet i colliculus superior med en oppløsning på omtrent én millimeter.

Halvparten av deltakerne fikk se bilder, mens den andre halvparten fikk mekanisk trykk mot venstre tommel. Før stimuleringen utførte deltakerne en oppgave der de skulle ta beslutninger basert på former. Forskerne sammenlignet deretter aktivitetsmønstrene før og under sansepåvirkningen.

Synsinntrykk førte til mer aktivitet i de overfladiske lagene av colliculus superior. Berøring ga på sin side mer aktivitet i de dypere lagene.

«Enda viktigere var det at det samme lagspesifikke mønsteret viste seg før stimuleringen kom, da deltakerne bare forventet et bilde eller en berøring», opplyser forskerne til Medical Xpress.

Aktivitet før stimuleringen

Forskerne undersøkte også om hjernesignalene kunne skille mellom synsinntrykk og berøring. Ved hjelp av maskinlæring fant de tilsvarende aktivitetsmønstre både mens deltakerne ventet på stimuleringen, og etter at den faktisk hadde kommet.

Resultatene tyder dermed på at typen sanseopplevelse som deltakerne ventet på, påvirket aktiviteten i colliculus superior på ulike måter. Forskerne fant dessuten lignende forutsigende responser i to sansebearbeidende områder i thalamus. Det antyder at forventning involverer flere strukturer under hjernebarken.

Studien bygger på ideen om prediktiv bearbeiding. Hjernen venter ikke passivt på nye signaler, men forbereder seg kontinuerlig på hva som kan komme. Forskerne forklarte dette med at «det er kostbart å reagere etter at noe allerede har skjedd».

Tradisjonelt har prediksjon i nevrovitenskap ofte blitt betraktet som en funksjon på høyere nivå, knyttet til hjernebarken. De nye funnene peker imidlertid mot at dypere hjernestrukturer, som videreformidler informasjon til hjernebarken, også inngår i et større nettverk som forbereder kroppen på kommende sanseinntrykk.

Forskerne peker på begrensninger

Forskerne understreker samtidig at studien har begrensninger. Det ble blant annet ikke gjort opptak av øyebevegelser under skanningene. Derfor er det usikkert om noe av aktiviteten kan ha skyldtes en generell forventning knyttet til selve forsøket, og ikke spesifikt forventningen om et bilde eller fysisk trykk.

Likevel mener forskerne at resultatene viser at colliculus superior deltar i prediktiv bearbeiding, og ikke bare reagerer på informasjon som allerede har kommet inn.

«Samlet viser dette arbeidet at subkortikale kjerner ikke er passive mottakere av sanseinformasjon, men at de både reagerer på og forventer sanseinformasjon fra den ytre verden», konkluderte forskerne i studien.