Білий шум на тлі звуків допомагає ефективніше відрізняти їх один від одного за рахунок обмеження активності нейронів слухової кори. Це з'ясували швейцарські вчені, які вивчили активність мозку мишей при прослуховуванні звуків. Ефект був значущим для звуків зі спектрально близькими частотами (тобто такими, що практично не відрізняються один від одного), а також проявлявся поведінково. Крім того, схожі зміни спостерігалися і при оптогенетичній активації нейронів, що беруть участь у регуляції слухового сприйняття. Це вказує на адаптивність слухової системи головного мозку в умовах шумового забруднення, що впливає на стимуляцію, пишуть вчені в журналі.
Активність різних частин сенсорної кори головного мозку досить специфічна: області, які залучені до обробки інформації, отриманої через різні модальності, активуються тільки під впливом певної стимуляції на приймаючі канали (наприклад, світло, що отримується через сітківку ока, або звук, який сприймають волоскові клітини вуха). Цікаво, що подібна специфічність проявляється і всередині сприйняття певної модальності: іншими словами, для певних відділів сенсорної системи дуже важливі параметри сигналу, що надходить.
Наприклад, нейрони слухової кори селективно обробляють звуки залежно від їх частоти. При цьому вони досить адаптивні і піддаються, наприклад, фоновому шуму або раптовим змінам звуку, що привертають увагу слухача. Про те, як подібна адаптивність впливає на слухове сприйняття і подальшу регуляцію поведінку, однак, відомо досить мало.
Щоб вивчити це питання докладніше, Расмус Крістенсен (Rasmus Christensen) з Університету Базеля і його колеги вирішили провести експеримент на мишах. Для цього вони включали своїм піддослідним 37 звуків різних частот (від 4 Герц від 48,7 Кілогерця) тривалістю по 50 мілісекунд кожна при рівні гучності в 60 децибелів. Звуки включали або чистими, або на фоновому, «білому» шумі з рівнем звукового тиску трохи нижче стимулу (50 децибелів). Активність мозку при сприйнятті звуків вимірювали за допомогою вживлених в мозок мишей електродів, отримуючи потім функцію залежності потенціалу дії нейронів первинної слухової кори від частоти програваного звуку.
Вчені виявили, що присутність білого шуму на тлі програваного звуку викликає зменшення частоти спайків (коливань потенціалу при збудженні нейрона): на 14,2 відсотка до початку і на 26,1 відсотка під час пікової активності. Подібна зміна спостерігалася у всіх селективно активованих ділянках первинної слухової кори незалежно від частотних характеристик стимулу. Також виявилося, що кількість звукових частот, сприйняття яких відбувається з піковою частотою спайка, значно (p = 0,0004) нижче за наявності білого шуму, ніж без нього. Це, в свою чергу, говорить про те, що селективність первинної слухової кори при шумі вище, а сам шум при цьому сприйняття ніяк не зачіпає.
Щоб перевірити, як зниження відповіді слухової кори у відповідь на звукову стимуляцію при наявності шуму впливає на поведінкові аспекти слухового сприйняття, вчені провели експеримент з використанням експериментальної парадигми go/no go. У ньому вони навчили мишей отримувати частування (крапельки соєвого молока) у відповідь на звук певної частоти і покарання (потік повітря) у відповідь на звуки інших частот при лизанні спеціальної трубки. Аналіз даних показав, що використання білого шуму при звуковій стимуляції покращує розпізнавання звуків, які спектрально знаходяться поруч: так, за допомогою шуму миші ефективніше розмежовували звуки, які відрізнялися один від одного на 0,35 (p = 0,002) і 0,2 октави (p = 0,001).
Для вивчення докладного механізму впливу білого шуму на активність нейронів слухової кори вчені потім звернулися до методів оптогенетики - селективної активації нейронів за допомогою впливу світлом на світлочутливі опсини, що вводяться в мембрану. Дослідники ввели активуючий каналродопсин (ChR2) в парвальбумін-містять вставочні нейрони, які регулюють передачу сигналу в сенсорних системах головного мозку. Виявилося, що селективна активація таких нейронів призводить до того ж результату, що і використання білого шуму: величина спайків знижується на 18,8 відсотка до початку і на 35,6 відсотка під час пікової активності. Так само, як і при використанні шуму, спостерігалося і значне (p = 0,0014) зменшення кількості частот, що сприймаються при піковій частоті спайка.
Оптогенетична активації парвальбумін-містять нейронів також поліпшила слухову дискримінацію. Результати виявилися схожими з тими, які були отримані при використанні білого шуму: також покращилося розмежування звуків, що відрізняються на 0,35 октави (p = 0,021) і 0,2 октави (p = 0,008).
Що стосується конкретних ділянок мозку, які залучені в регуляцію сприйняття при впливі білого шуму і оптогенетичної активації, то вчені також відзначили роботу колінчастого тіла таламусу, яке також бере участь в обробці слухової інформації. Ефект, однак, був не таким вираженим, як той, який спостерігався при роботі слухової кори.
Автори зробили висновок, що зміна активності слухової кори (за допомогою або білого шуму, або оптогенетичної активації) змінюють слухове сприйняття, покращуючи його - причому цей ефект також проявляється і поведінково. Можливе пояснення такого ефекту - в селективній дискримінації частот окремими нейронами слухової кори порівняно зі звичною спонтанною активністю в тому випадку, коли додаткову стимуляцію не потрібно відсіювати. З цього, в свою чергу, можна зробити висновок, що сенсорні системи головного мозку (принаймні слухова) краще адаптовані для сприйняття інформації при певному рівні додаткового шуму, що цілком зрозуміло: значущі звуки на тлі абсолютної тиші для сприйняття більш незвичні.
Користь білого шуму вже неодноразово підтверджували: наприклад, його успішно застосовують для відновлення слуху після акустичної травми. Два роки тому вчені показали, що прослуховування білого шуму певної інтенсивності заважає реорганізації нейронних зв'язків, яке спостерігається внаслідок порушення слуху після гучних звуків. Слух, таким чином, не порушується.