Понимание внутреннего мира животных всегда представляло для ученых сложную задачу. Внутренние когнитивные состояния — такие как внимание, мотивация, усталость или любопытство — не просто формируют поведение, но и определяют успех в решении задач и адаптации к окружающей среде. Однако традиционные методы исследования обычно сосредоточены на поведении или реакциях, не давая чёткого понимания скрытых состояний, особенно когда речь идет о сравнительном анализе разных видов. Современные достижения в области машинного обучения, виртуальной реальности и поведенческого анализа открывают новые горизонты в этой области, демонстрируя, что самые тонкие изменения в мимике могут служить окном во внутренние переживания даже у небольших и, казалось бы, простейших существ, таких как мыши. Недавнее исследование, включающее как мышей, так и макак, использовало виртуальную реальность для создания одинаковых условий выполнения визуальной ориентировочной задачи.
В эксперименте оба вида взаимодействовали с иммерсивной средой, где им нужно было отличить целевой объект от отвлекающего стимула. Через видеозаписи лица животных специалисты выделяли ключевые параметры: движения бровей, носа, ушей, глаз и иные выразительные элементы. Эти данные обрабатывались с помощью продвинутой системы маркировки поз и алгоритма скрытых состояний под названием Марковский регрессионный переключатель (Markov-Switching Linear Regression — MSLR). Главная задача заключалась в том, чтобы, основываясь исключительно на выражении лица до появления стимула, предсказать реакцию животного — скорость его ответа на поставленную задачу. Модель не использовала никакой информации о том, правильно ли животное выполнило задание, лишь оценивая связь между мимикой и временем реакции.
Результаты поразили: точность предсказаний времен реакции была очень высокой для обоих видов. Более того, скрытые в модели состояния с особым набором мимических характеристик коррелировали с вероятностью успешного выполнения задания, что указывает на связь внутренних когнитивных состояний с выражениями лица. Наблюдения показали, что у обоих видов существует несколько характерных «режимов» внутреннего состояния. Например, одно состояние сопровождалось быстрой и точной реакцией — вероятно, отражая высокий уровень внимания и мотивации. Другое состояние характеризовалось медленной и менее точной реакцией, что могло означать снижение заинтересованности или усталость.
У обезьян даже было выявлено состояние полного беспокойства и отсутствия реакции, когда животное, по всей видимости, было полностью отключено от задачи. Эти режимы менялись с течением времени — причём у мышей смены происходили чаще, что может отражать их более переменчивую когнитивную динамику, в то время как обезьяны демонстрировали более устойчивые состояния. Ключевой особенностью исследования было использование именно мимики для определения внутреннего состояния, а не всего тела или лишь одной поведенческой метрики. Долгое время считалось, что богатство и информативность лицевых выражений характерны только для высокоразвитых и социальных видов, таких как человек или обезьяна. Однако данные свидетельствуют, что даже у менее зрительно ориентированных видов — мышей, — мимика служит выражением фундаментальных эмоций и когнитивных процессов.
Показано, что разнообразие комбинаций таких мимических параметров гораздо информативнее, чем анализ отдельных признаков, например, только размера зрачков. Модели продемонстрировали, что внутреннее состояние сильно меняет взаимосвязь между различными элементами мимики, а значит, универсального признака выделить нельзя — изменения более сложны и многогранны. Интересным открытием стало сходство паттернов выражений лица между мышами и обезьянами во время похожих когнитивных состояний, а именно состояний высокой вовлечённости или, наоборот, отсутствия реакции. Это говорит о возможном эволюционном консерватизме механизмов выражения внутренних состояний через лицо, не только в эмоциональной, но и в когнитивной сфере. Лишь некоторые состояния, связанные с неправильными или импульсивными ответами, оказались менее схожи и, по всей видимости, отражали более специфичные для каждой из групп процессы.
При проектировании экспериментальной задачи учёные учитывали необходимость максимально естественного поведения животных, отходя от классических, ограниченных реакций (например, нажатия кнопок) и ориентируясь на полноценное движение в виртуальной среде. Это позволило связать внутренние состояния не с программируемыми рамками, а с реально возникающими процессами во время решения естественной задачи — поиска и выбора объекта на фоне отвлекающих стимулов. Анализ влияния предшествующих событий показал, что эмоциональное состояние и мотивация животных не сводятся к просто отражению последних успехов или неудач. Мимика и внутреннее состояние воздействуют намного глубже и менее напрямую, указывая на глобальные параметры, такие как усталость, уровень бдительности, или даже концентрация внимания, которые сложно проследить исключительно по типу предыдущего опыта. Это подтверждает уникальность и независимость наблюдаемых состояний.
Применение передового машинного обучения, в частности MSLR, позволило выявить скрытые временные режимы, в которых меняется связь между лицевыми выражениями и последующей реакцией на задачу. В отличие от традиционных методов, ориентированных на усреднённые или бинарные показатели поведения, такая модель способна захватывать динамическую многомерную структуру поведения, делая выводы о текущем внутреннем состоянии в реальном времени. Потенциал таких исследований трудно переоценить. Они дают возможность безвредно и без излишнего вмешательства получать данные о когнитивных процессах и ментальном состоянии животных, что важно как для фундаментальной науки, так и для разработки методов оценки их благополучия. Кроме того, сходство внутренних состояний у мышей и обезьян служит мостом для трансляции знаний нейронаук между видами и облегчает понимание общих принципов работы мозга.
