Записи з тисяч нейронів показують, як мозок людини абстрактно представляє акти міркування. Дослідники визначили, як мозок формує когнітивні карти під час інференційних міркувань, проаналізувавши нейрони у хворих на епілепсію. Гіпокамп, традиційно пов’язаний з картуванням фізичного простору, також структурує когнітивні процеси. Це дослідження висвітлює, як експериментальне та вербальне навчання впливає на нейронні репрезентації, пропонуючи ідеї для потенційного неврологічного лікування.
Розкриття нейронних механізмів інференційних міркувань
Щоб зрозуміти, як будь-які дві речі у світі пов’язані одна з одною, чи то погана погода впливає на затримки в громадському транспорті, чи то умови навколишнього середовища впливають на еволюцію видів, потрібен мозок. Нове дослідження, засноване на записах у мозку людей, дало новаторську скарбницю даних, які дослідники тепер використовують, щоб розкрити з більшою ясністю, ніж будь-коли, нейронні втілення інференційних міркувань.
«Ми починаємо розуміти, як мозок навчається і як ми отримуємо знання з того, що ми відчуваємо», — сказав Уелі Рутісхаузер, доктор філософії, співавтор дослідження і професор неврології, нейрохірургії та біомедичних наук у Медичному центрі Cedars-Sinai.
Дослідження, проведене в рамках міжвідомчого консорціуму, що фінансується Національним інститутом охорони здоров’я США в рамках ініціативи «Дослідження мозку за допомогою інноваційних нейротехнологій» (The Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative, або The BRAIN Initiative), було опубліковано сьогодні (14 серпня) в журналі Nature.
Нейронний запис під час виконання завдань на вивідні міркування
Використовуючи електричні записи з більш ніж 3 000 нейронів у 17 добровольців з епілепсією, які проходили інвазивний моніторинг у лікарні для виявлення джерел їхніх нападів, дослідники зібрали «унікальний набір даних, який дозволяє нам вперше відстежувати, як клітини мозку представляють процес навчання, що є критично важливим для індуктивного мислення», — сказав Стефано Фузі, доктор філософії, головний дослідник Інституту поведінки мозку Цукермана в Колумбійському університеті та інший співавтор статті.
Як показали записи нейронів, вчені поставили перед учасниками просте завдання на логічне мислення. У цьому завданні учасники методом проб і помилок знаходили правильні, грошово винагороджувані асоціації між зображеннями, наприклад, зображенням автомобіля або шматка фрукта, і натисканням лівої або правої кнопки. Після того, як учасники запам’ятовували ці асоціації для набору зображень, дослідники змінювали, яка кнопка відповідає правильній асоціації для кожного зображення, а яка — ні.
Когнітивні зрушення під час навчання та висновків
Спочатку добровольці робили неправильний вибір, оскільки не усвідомлювали, що раніше вивчені асоціації змінилися. Однак ці помилки дозволили волонтерам швидко зробити висновок, що нове правило «зображення-кнопка» почало діяти, і вони змогли далі зробити висновок, що всі нові правила «зображення-кнопка» змінилися, навіть ті, з якими вони ще не стикалися. Вчені порівнюють це експериментальне завдання з висновками в реальному житті, які часто доводиться робити мандрівникам, що подорожують за кордон.
Нейронна репрезентація переходів психічних станів
«Якщо ви живете і в Нью-Йорку, і в Лондоні, і прилітаєте до Великої Британії, ви знаєте, що для того, щоб перейти дорогу, потрібно дивитися праворуч. Ви перейшли в інший ментальний стан, який відображає правила дорожнього руху, які ви вивчили, живучи в Лондоні», — каже доктор Фусі, професор неврології в Колумбійському коледжі лікарів і хірургів Вагелоса і член Колумбійського центру теоретичної неврології.
«Навіть якщо ви відвідуєте місця, де ніколи не були у Великобританії, наприклад, сільську місцевість в Уельсі, ви робите висновок, що там все ще діють нові правила, — додав він. «Ви все ще повинні дивитися праворуч, а не ліворуч, коли переходите дорогу».
«Ця робота прояснює нейронну основу концептуальних знань, які необхідні для міркувань, висновків, планування і навіть регулювання емоцій», — сказав Деніел Зальцман, доктор медичних наук, співавтор статті в Nature, головний дослідник Інституту Цукермана і професор психіатрії та неврології в Колумбійському коледжі лікарів і хірургів Вагелоса.
Високорозмірні геометричні фігури в мозковій діяльності
Але як ці види мислення фізично виражаються в активності нейронів? Використовуючи математичні інструменти, які доктор Фусі відточив для інтеграції записів з тисяч нейронів, дослідники перетворили мозкову активність добровольців у геометричні зображення — у фігури, щоправда, які займають тисячі вимірів, а не звичні нам три виміри, які ми зазвичай візуалізуємо.
«Це високорозмірні геометричні фігури, які ми не можемо уявити або візуалізувати на моніторі комп’ютера, — сказав д-р Фусі. «Але ми можемо використовувати математичні методи для візуалізації їх значно спрощених зображень у 3D».
Коли дослідники порівняли форми мозкової активності між випадками, коли суб’єкти робили успішні висновки, і тими, коли їхні висновки були невдалими, виявилися разючі відмінності.
«У певних популяціях нейронів під час навчання ми спостерігали переходи від невпорядкованих уявлень до цих красивих геометричних структур, які корелювали зі здатністю до інференційного мислення», — сказав доктор Фусі.
Зв’язок активності гіпокампу з когнітивним картуванням
Більше того, дослідники спостерігали ці структури лише у записах з гіпокампу, а не в інших ділянках мозку, за якими спостерігали вчені, таких як мигдалеподібне тіло та лобові частки кори головного мозку. За словами дослідників, це дивовижний висновок, оскільки гіпокамп давно вважається місцем, де в мозку втілюються нейронні карти фізичного простору. Нові дані показують, що він також може створювати когнітивні карти, пов’язані з такими функціями мозку, як формування висновків і навчання.
Вплив вербальних інструкцій на нейронні репрезентації
Ще один вражаючий результат дослідження, за словами доктора Рутісхаузера, полягає в тому, що добровольці, які вивчають асоціативні зв’язки між зображеннями і кнопками лише за допомогою вербальних інструкцій, а не через досвід спроб і помилок, з усім тим, формують ті ж самі «красиво структуровані нейронні репрезентації в гіпокампі». За його словами, це важливе спостереження, оскільки, хоча люди часто вчаться один від одного через вербальний обмін, дуже мало відомо про те, як вербальна інформація змінює нейронні репрезентації.
«Вербальні інструкції — це те, як ми будуємо знання про речі, з якими ми ніколи не стикалися», — додав доктор Рутісхаузер. «Наша робота показує, що вербальні інструкції призводять до дуже схожих структурованих нейронних репрезентацій у порівнянні з тими, що виникають в результаті експериментального навчання».
Важливість пацієнтів з епілепсією в дослідженнях мозку
Дослідники підкреслюють, що жодне з цих відкриттів не було б можливим без співпраці та добровільної участі пацієнтів, які страждають на медикаментозно-резистентну епілепсію і перебували в лікарні після операції. Електроди для збору нейронних даних були тимчасово імплантовані лікарями пацієнтам з єдиною метою — визначити джерело нападів у кожного з них, з кінцевою метою використання цієї інформації для подальшого хірургічного або нейромодуляційного лікування.