Человеческий мозг может хранить важную информацию, такую ​​как числа, инструкции или другие детали, которые важны для выполнения задачи, в течение коротких периодов времени с помощью когнитивной системы, известной как рабочая память (WM). Известно, что эта система конструктивна по своей природе, то есть она не только хранит информацию, но и организует ее способами, которые могут помочь более эффективно решать реальные проблемы.

Исследователи из Пекинского университета недавно провели исследование, направленное на лучшее понимание нейронных механизмов, лежащих в основе иерархической организации информации, временно хранящейся в человеческом мозге. Их выводы, опубликованные в Nature Human Behavior , предполагают, что иерархическая организация последовательностей WM закодирована в двумерной (2D) геометрии нейронных представлений.

«Вместо того чтобы пассивно сохранять информацию, WM реорганизует сложные последовательности в иерархически встроенные фрагменты, чтобы преодолеть ограничения емкости и способствовать гибкому поведению», — пишут Ин Фань, Мужи Ван и их коллеги в своей статье. «Чтобы исследовать нейронные механизмы, лежащие в основе иерархической реорганизации в WM, мы провели два эксперимента с электроэнцефалографией (ЭЭГ) и один эксперимент с магнитоэнцефалографией (МЭГ), в ходе которых люди сохраняют в WM временную последовательность элементов, то есть слогов, которые организованы в фрагменты, то есть многосложные слова».

Фань, Ван и их коллеги провели три эксперимента, в ходе которых участников попросили запомнить ряд слоговых последовательностей на короткие промежутки времени. Эти последовательности были иерархически организованы в слова и многословные последовательности.

Эксперимент 2. Все результаты здесь основаны на записях ЭЭГ от N = 32 испытуемых. a, То же, что и в эксперименте 1, но с использованием последовательностей слогов с различной длиной слова и случайными временными колебаниями (0–40 мс) между слогами. b, Каждая последовательность слогов содержала случайные комбинации слов, которые имеют от двух до четырех слогов. c, То же, что и нижняя панель рис. 2b. Кредит: Nature Human Behaviour (2024). DOI: 10.1038/s41562-024-02047-8
Участников позже попросили вспомнить иерархию, в которой были организованы последовательности слогов, которые им изначально были представлены. В ходе двух экспериментов исследователи регистрировали нейронную активность участников с помощью ЭЭГ, а в третьем — с помощью МЭГ.

«Мы демонстрируем, что одномерная последовательность представлена ​​двумерной нейронной репрезентативной геометрией в WM, возникающей из левых префронтальной и височно-теменной областей, с отдельными измерениями, кодирующими положение элемента в куске и положение куска в последовательности», — пишут Фань, Ван и их коллеги. «Критически важно, что эта двумерная геометрия наблюдается последовательно в различных экспериментальных условиях, даже во время задач, не способствующих иерархической реорганизации в WM, и коррелирует с поведением WM».

Наблюдения исследователей показывают, что последовательности слогов были закодированы как 2D нейронные представления, с различными измерениями, кодирующими их локальный ранг (т. е. положение слога в слове), а другие — их глобальный ранг (т. е. положение слов в последовательности). Примечательно, что эта 2D нейронная геометрия, берущая начало в префронтальной и височно-теменной коре, оказалась одинаковой независимо от стимулов, которые людей просили запомнить, и конкретной задачи, которую они выполняли.

«В целом, эти результаты убедительно подтверждают, что сложные последовательности реорганизуются в факторизованную многомерную нейронную репрезентативную геометрию в WM, что также говорит об общих принципах организации, основанных на структуре, учитывая участие WM во многих когнитивных функциях», — пишут Фань, Ван и их коллеги.

Результаты этого недавнего исследования вносят вклад в понимание процессов рабочей памяти, проливая новый свет на процессы, лежащие в основе иерархической организации последовательностей информации, временно хранящихся в мозге. В будущем они могли бы проложить путь для дополнительных исследований, изучающих двумерные геометрические представления этих последовательностей, идентифицированных Фанем, Ваном и их коллегами, что может привести к новым интересным открытиям.