Ученые запечатлели, как клетки мозга воплощают мысль
Координированная деятельность мозговых клеток, подобно птицам, летящим в строю, помогает нам вести себя разумно в новых ситуациях, согласно исследованию, проведенному исследователями Cedars-Sinai. Работа, опубликованная в Nature, является первой, освещающей неврологические процессы, известные как абстракция и вывод в человеческом мозге.
«Абстракция позволяет нам игнорировать несущественные детали и сосредоточиться на информации, которая нам нужна для того, чтобы действовать, а вывод — это использование знаний для составления обоснованных предположений об окружающем нас мире», — сказал Ули Рутисхаузер, доктор философии, профессор и председатель совета управляющих по нейронаукам в Cedars-Sinai и соавтор исследования. «Оба являются важными частями познания и обучения».
Люди часто используют эти два когнитивных процесса вместе, чтобы быстро узнавать и действовать соответствующим образом в новых условиях. Одним из примеров этого является американский водитель, который впервые арендует машину в Лондоне.
«Англичане ездят по правой стороне автомобиля и по левой стороне дороги, в противоположность тому, как мы это делаем в США», — сказал Рутисхаузер. «Для человека из США вождение в Лондоне означает отказ от многих правил, которые они выучили, и осуществление этого ментального сдвига требует абстракции, чтобы сосредоточиться на стороне вождения и делать выводы, чтобы избежать прямого выезда на встречную полосу».
В исследовании ученые работали с 17 госпитализированными пациентами, которым в мозг хирургическим путем имплантировали электроды в рамках процедуры диагностики эпилепсии. В общей сложности исследователи зафиксировали активацию тысяч мозговых клеток, когда участники выполняли задачу вывода на компьютере.
Для изучения активности такого количества клеток мозга потребовалось использование искусственного интеллекта для извлечения релевантных ответов, что позволило исследователям увидеть координацию между нейронами во время успешного вывода.
«Это геометрические фигуры высокой размерности, которые мы не можем себе представить или визуализировать на мониторе компьютера», — сказал Стефано Фуси, доктор философии, главный исследователь в Институте поведения мозга Цукермана Колумбийского университета и соавтор исследования. «Но мы можем использовать математические методы для визуализации их упрощенных представлений в 3D».
Во время записи участникам неоднократно показывали четыре картинки — человека, обезьяну, машину и арбуз. В ответ на каждую картинку их просили нажать левую или правую кнопку. Затем участники получали «правильное» или «неправильное» сообщение.
В результате повторения участники в конечном итоге узнали правильный ответ для каждой из четырех картинок. В этот момент правила игры были изменены без уведомления участников, и противоположный ответ для каждой картинки был засчитан как правильный.
После переключения некоторые участники смогли быстро понять изменение правила и сделать вывод о правильных ответах, не заучивая их заново, то есть они выполнили вывод.
Исследователи увидели поразительные геометрические узоры в мозге этих участников. Группы нейронов активизировались вместе, как птицы, летящие строем, или толпа людей, спонтанно подхватывающая скандирование на спортивном мероприятии.
То, как нейроны координировали свою активность и кодировали соответствующую информацию, указывало на то, что испытуемые получили концептуальные знания, необходимые для выполнения задачи. Исследователи не увидели подобных закономерностей в мозге участников, которые не преуспели в использовании вывода.
«Создание концептуальных знаний — важный аспект обучения», — сказал Христос Курелли, доктор философии, научный сотрудник Cedars-Sinai и первый автор исследования. «В нашем исследовании мы выявили нейронную основу этого процесса, который в когнитивной психологии называется абстракцией».
Некоторые испытуемые изначально не могли делать выводы из опыта, выполняя только задание. Для этих испытуемых исследователи давали устные инструкции, которые позволяли испытуемым затем делать выводы о правильных ответах.
«Замечательным открытием стало то, что у участников, получавших устные инструкции, возникли те же нейронные геометрии, что и у тех, чья способность делать выводы основывалась на опытном обучении », — сказал Адам Мамелак, доктор медицины, директор Программы функциональной нейрохирургии и профессор нейрохирургии в Cedars-Sinai, соавтор исследования.
«Это важнейшее открытие показывает, что вербальный ввод может привести к нейронным представлениям, на изучение которых в противном случае потребовалось бы много времени».
Исследование, основанное на данных Cedars-Sinai и Университета Торонто, проводилось под руководством Cedars-Sinai в рамках многоинституционального консорциума.
«Это исследование дает новые знания о том, как наш мозг позволяет нам учиться и выполнять задачи гибко и в ответ на меняющиеся условия и опыт», — сказал Мерав Сабри, доктор философии, директор программы The BRAIN Initiative. «Эти знания опираются на совокупность знаний, которые однажды могут привести нас к вмешательствам при неврологических и психиатрических состояниях, которые связаны с дефицитом памяти и принятия решений».
Для исследователей стало неожиданностью открытие, что эти особые модели мозговой активности возникают только в гиппокампе — области, расположенной глубоко в центре мозга, которая, как известно, играет решающую роль в формировании новых долговременных воспоминаний.
«Наше открытие расширяет наши знания о роли гиппокампа в обучении», — сказал Рутисхаузер.
«Это первая прямая демонстрация участия человеческого гиппокампа в обучении абстрактным знаниям и поведении выводов . Многие неврологические заболевания, включая болезнь Альцгеймера, обсессивно-компульсивное расстройство и шизофрению, влияют на эту область мозга, и наше открытие может помочь объяснить нарушения принятия решений, которые мы наблюдаем у этих пациентов».