Исследование: мимика лица является индикатором скрытых когнитивных состояний
Может ли выражение лица показать, что происходит в уме? Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, посвящено изучению этой интересной идеи. Учёные использовали современные компьютерные инструменты, чтобы внимательно наблюдать за мимикой мышей и обезьян. Они обнаружили, что движения лицевых мышц достоверно отражают внутренние когнитивные процессы, что свидетельствует об удивительном сходстве этих процессов у разных видов животных. Это исследование помогает нам понять, схожи ли внутренние состояния, определяющие поведение животных, у разных видов. Оно также подчёркивает необходимость поиска новых способов сравнения этих естественных состояний без использования сложных задач.
Новое исследование, опубликованное 4 июня 2025 года в журнале Nature Communications, посвящено изучению сопоставимости внутренних когнитивных состояний у разных видов. Исследовательская группа, в которую вошли Алехандро Тлайе, Муад Й. Абд Эль Хай, Марике Л. Шёльвинк и другие, разработала метод изучения и прямого сравнения спонтанно возникающих внутренних состояний у макак и мышей. В этой работе приняли участие ученые из Института нейробиологии имени Эрнста Штрунгмана, Мадридского политехнического университета и Принстонского института нейробиологии.
В исследовании использовалась виртуальная реальность и анализировались выражения лица с видеозаписей. Цель состояла в том, чтобы выявить внутренние состояния, которые могли бы предсказать реакцию животных и выполнение ими задания. Авторы сообщили, что связь между выявленными состояниями и тем, насколько хорошо животные выполняли задания, была схожей как у мышей, так и у обезьян. Кроме того, каждое состояние соответствовало определённым чертам выражения мордочки животных, которые частично совпадали у двух видов.
Что исследовали учёные
Исследовательская группа изучила, насколько схожи внутренние когнитивные состояния, такие как «внимание», у макак и мышей. Авторы отмечают, что поведение животных, такое как охота или поиск пищи, не является просто пассивной реакцией на окружающую среду. Напротив, на это поведение влияют меняющиеся внутренние состояния, такие как бдительность или настороженность.
Исследователи отметили, что традиционные методы изучения внутренних состояний часто используют сложные задачи с простыми стимулами, что затрудняет межвидовые сравнения из-за различий в самих задачах. Например, задачи на внимание для обезьян сильно отличаются от задач для грызунов, что мешает прямому сравнению основных поведенческих паттернов между видами.
Для решения этой задачи авторы предложили поведенческий подход, который использует естественные поведения для отражения спонтанно возникающих внутренних состояний. Их метод был направлен на выявление этих состояний на основе данных, без навязывания заранее заданных «понятий» о том, что такое внимание или другие состояния, и на отслеживание их эволюции во времени. Это требовало очень точного и детального отслеживания поведения. Исследование проводилось на самцах мышей и макак.
Как проводилось исследование
В исследовании было объединено задание по поиску пищи в виртуальной реальности (VR) с инструментом глубокого обучения для автоматического отслеживания поведенческих особенностей. В нескольких экспериментальных сессиях (18 для обезьян, 29 для мышей) приняли участие две обезьяны и семь мышей, которые прошли в общей сложности более 33 000 испытаний. Животные перемещались по виртуальной среде, проецируемой внутри специально изготовленного купола. Обезьяны использовали трекбол для перемещения в виртуальной реальности, а мыши бегали по сферической беговой дорожке, и их движения передавались в виртуальную реальность.
Животные выполняли перцептивную задачу с двумя вариантами выбора: им нужно было подойти к целевому стимулу (лист в форме шипа) и избежать отвлекающего стимула (лист круглой формы) на виртуальной лужайке. Выполнение задачи оценивалось по результатам проб (правильно, неправильно, пропущено) и времени реакции. Авторы отметили, что показатели успешности и время реакции были в целом сопоставимы у разных видов, хотя мыши демонстрировали менее стабильные результаты.
Во время выполнения задания записывались выражения мимики животных. Для макак анализировались видеозаписи с фронтальной камеры и данные слежения за движением глаз. Для мышей использовались видеозаписи с боковой камеры. При помощи программного обеспечения DeepLabCut были выделены такие черты лица, как движения бровей, носа и ушей (18 для обезьян, 9 для мышей). Эти данные были усреднены за 250-миллисекундный интервал до появления стимулов, чтобы зафиксировать внутренние процессы, а не непосредственные реакции на стимулы.
Извлечённые лицевые черты были введены в специальную компьютерную модель под названием «Линейная регрессия Маркова с переключением» (MSLR). Эта модель предсказывала время реакции животных на основе их мимики, исходя из предположения о наличии «скрытых» внутренних состояний. Каждое состояние предполагало различную взаимосвязь между лицевыми чертами и временем реакции. Модель выделила 4 таких состояния для обезьян и 3 для мышей. Авторы обнаружили, что использование нескольких скрытых состояний значительно улучшило прогнозы модели по сравнению с использованием только одного состояния. Модель хорошо работала для всех животных и могла надёжно предсказывать поведение новых животных.
В чем новизна данного исследования?
Авторы отмечают, что в данном исследовании были использованы передовые технологии, в частности виртуальная реальность и алгоритмы глубокого обучения, для выявления и непосредственного сравнения спонтанно возникающих внутренних состояний у макак и мышей. Они подчёркивают, что их подход, основанный на использовании мимики для определения состояний на основе естественного поведения, представляет собой «радикальный отход» от старых методов, при которых животных заставляли выполнять ограничивающие задания для изучения их внутренних состояний.
В данном исследовании представлен метод, который, сосредоточившись на детальном анализе всех выражений лица, направлен на составление карты диапазона естественных внутренних состояний на основе данных, которые впервые можно непосредственно сравнивать между видами. Авторы подчеркнули надёжность своих выводов, поскольку аналогичные результаты были получены при использовании другого типа модели (GLM-HMM).
По сравнению с предыдущими исследованиями, в которых в основном рассматривались простые связи между отдельными чертами лица (такими как размер зрачка) и заранее определёнными когнитивными состояниями, в данном исследовании учитывалось всё лицо (мордочка животного) в целом. Авторы утверждают, что это помогло уменьшить путаницу по сравнению с более ранними работами и «добавляет одну из первых строгих оценок того, какие аспекты внутренних состояний действительно обобщаются между видами, а какие — нет». Они также отмечают, что обнаружение сильных сходств в спонтанно возникающих внутренних состояниях у разных видов открывает путь для дальнейших исследований общих и эволюционно сохранившихся принципов этих состояний.
Ключевые выводы исследования
- Эволюционная консервативность лицевых сигналов: каждое внутреннее состояние было связано с уникальным набором лицевых черт, которые были отчётливыми и легко распознаваемыми. Важно отметить, что конкретные черты лица, предсказывавшие схожее поведение у мышей и обезьян, в значительной степени совпадали, что свидетельствует о том, что способ выражения внутренних состояний с помощью мимики лица является устойчивым и хорошо сохранился в процессе эволюции.
- Мимика предсказывает поведение: Мимика животных перед испытанием точно предсказывала время их реакции и даже результат задания (правильный, неправильный или пропущенный испытание). Это показало, что движения лица являются надёжными индикаторами внутренних состояний, и модель не полагалась только на простые признаки возбуждения, такие как размер зрачка.
- Стабильность состояний варьируется в зависимости от вида: Макаки демонстрировали очень стабильные внутренние состояния, которые редко менялись, что свидетельствует о стабильной внутренней обработке информации. В отличие от них, мыши чаще переключались между состояниями. Это может быть связано с реальными различиями в способах обработки информации или, возможно, с более интенсивным обучением макак.
- Состояния отражают стили выполнения: Выявленные скрытые состояния были чётко связаны с различными способами выполнения задачи животными, такими как скорость реакции. Например, некоторые состояния неизменно приводили к правильным и быстрым ответам, в то время как другие ассоциировались с более медленными или неправильными результатами. Как мыши (с 3 состояниями), так и обезьяны (с 4 состояниями) демонстрировали сопоставимые паттерны выполнения в своих соответствующих состояниях.
- Разнообразные поведенческие стратегии: Оба вида демонстрировали состояния, связанные с медленным, неудачным выполнением, а также несколько состояний, связанных с быстрой и точной работой. Некоторые состояния указывают на осторожный, тщательный подход, в то время как другие — на скорость или импульсивность. Авторы предположили, что эти состояния могут быть связаны с разными уровнями «внимания», необходимыми для выполнения задачи.
Выводы авторов
- Надёжное прогнозирование на основе лицевых черт: Авторы пришли к выводу, что их исследование позволило успешно определить внутренние состояния с помощью лицевых черт. Эти состояния надёжно предсказывали, как животные будут реагировать на стимулы и насколько хорошо они будут выполнять задания. Связь между этими состояниями и выполнением заданий была одинаковой как у мышей, так и у обезьян.
- Подлинные когнитивные состояния: Внутренние состояния, выявленные с помощью модели MSLR, точно предсказывали результаты поведения (например, правильные или неправильные попытки), даже без прямой подачи этой информации. Авторы предполагают, что это свидетельствует о том, что эти скрытые состояния являются «подлинными, динамически меняющимися когнитивными состояниями», которые приводят к разным поведенческим результатам.
- Видовые различия в динамике состояний: Хотя количество состояний (3 у мышей, 4 у обезьян) было схожим, частота смены состояний во времени различалась: мыши, по-видимому, переключались между состояниями чаще, чем обезьяны. Это может указывать на реальное различие в том, как эти виды обрабатывают информацию, или может быть связано с тем, что обезьяны прошли более интенсивную подготовку.
- Общие принципы в эволюции: Исследование показало, что общие типы поведения, охватываемые этими состояниями, в целом сопоставимы у разных видов. Авторы отметили, что мимика у обоих видов передает когнитивную и мотивационную информацию (такую как сосредоточенность или умственное усилие), подобно людям, даже вне социальной среды. Они предполагают, что эти сильные сходства в спонтанно возникающих внутренних состояниях открывают путь для дальнейших исследований общих, сохранившихся в процессе эволюции принципов познания животных.
- Направления будущих исследований: Авторы признали некоторые ограничения, такие как то, что их модель предоставляет только единичные оценки внутренних состояний за один эксперимент. В будущем они предлагают использовать более совершенные модели для отслеживания непрерывных изменений внутренних состояний в рамках одного эксперимента. Это может дать более точное представление о взаимодействии мозговой деятельности и поведения.
Оригинальное исследование можно найти здесь:
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-60296-1
Информация в этой статье предоставлена исключительно в ознакомительных целях и не является медицинской рекомендацией. По вопросам, связанным с лечением или здоровьем, проконсультируйтесь с профильным специалистом.
