Наши мысли определяются нашими знаниями и планами, однако наше познание также может быть быстрым и гибким в обработке новой информации. Как же хорошо контролируемый и в то же время чрезвычайно гибкий характер познания возникает из анатомии мозга, состоящего из миллиардов нейронов и нейронных цепей?

Исследование, проведенное учеными из Института Пиковера по изучению обучения и памяти при Массачусетском технологическом институте, предоставляет новые доказательства, полученные в ходе экспериментов на животных, которые указывают на то, что ответом может быть теория, называемая «пространственными вычислениями».

Результаты исследования опубликованы в журнале Current Biology.

Теория пространственных вычислений, впервые предложенная в 2023 году профессором Пиковера Эрлом К. Миллером и его коллегами Микаэлем Лундквистом и Павлом Херманом, объясняет, как нейроны в префронтальной коре могут оперативно организовываться в функциональную группу, способную выполнять обработку информации, необходимую для когнитивной задачи. Более того, она допускает участие нейронов в нескольких таких группах, поскольку многолетние эксперименты показали, что многие нейроны префронтальной коры действительно могут участвовать в нескольких задачах одновременно.

Основная идея теории заключается в том, что мозг задействует и организует специальные «рабочие группы» нейронов, используя мозговые волны альфа- и бета-ритмов (примерно 10–30 Гц) для подачи управляющих сигналов на физические участки префронтальной коры.

Вместо того чтобы каждый раз перестраиваться в новые физические цепи при выполнении новой задачи, нейроны в этом участке обрабатывают информацию, следуя паттернам возбуждения и торможения, задаваемым волнами.

По словам Миллера, альфа- и бета-волны можно рассматривать как шаблоны, определяющие, когда и где в префронтальной коре группы нейронов могут воспринимать или передавать информацию от органов чувств. Таким образом, волны представляют собой правила выполнения задачи и могут организовывать электрическую «импульсную» активность нейронов для обработки необходимой для выполнения задачи информации.

«Когнитивные процессы в значительной степени основаны на крупномасштабной нейронной самоорганизации», — сказал Миллер, старший автор статьи и преподаватель кафедры нейробиологии и когнитивных наук Массачусетского технологического института. «Пространственные вычисления объясняют, как мозг это делает».

Проверка пяти прогнозов

Теория — это всего лишь идея. В исследовании ведущий автор Чжэнь Чен и другие нынешние и бывшие сотрудники лаборатории Миллера проверили теорию пространственных вычислений, изучив, действительно ли пять предсказаний, которые она делает относительно нейронной активности и паттернов мозговых волн, подтверждаются измерениями, проведенными в префронтальной коре головного мозга животных, выполнявших две задачи на рабочую память и одну задачу на категоризацию.

В ходе выполнения заданий требовалось обрабатывать различные виды сенсорной информации (например, «на экране появился синий квадрат, а затем зеленый треугольник») и следовать определенным правилам (например, «когда на экране появляются новые фигуры, совпадают ли они с фигурами, которые я видел раньше, и появляются ли они в том же порядке?»).

Первые два предположения заключались в том, что альфа- и бета-волны должны представлять собой элементы управления задачей и правила, а импульсная активность нейронов — сенсорные входные сигналы.

Когда исследователи проанализировали показания мозговых волн и импульсов, собранные четырьмя электродными массивами, имплантированными в кору головного мозга, они обнаружили, что эти предсказания действительно подтвердились. Нейронные импульсы, но не альфа/бета-волны, передавали сенсорную информацию.

Хотя как пики активности, так и альфа/бета-волны несли в себе информацию о задаче, она была наиболее сильной в волнах и достигала пиков в моменты, соответствующие необходимости применения правил для выполнения задач.

Примечательно, что в задании на категоризацию исследователи намеренно варьировали уровень абстракции, чтобы сделать категоризацию более или менее когнитивно сложной. Исследователи обнаружили, что чем выше сложность, тем сильнее мощность альфа/бета-волн, что еще раз подтверждает наличие в ней правил выполнения задания.

Следующие два предсказания заключались в том, что альфа/бета-ритм будет пространственно организован, и что там, где он силен, сенсорная информация, представленная импульсами, будет подавляться, а там, где он слаб, импульсная активность будет возрастать. Эти предсказания также подтвердились в полученных данных.

Под электродами Чен, Миллер и их команда смогли увидеть отчетливые пространственные закономерности более высокой или более низкой мощности волн, причем там, где мощность была высокой, сенсорная информация в импульсах была низкой, и наоборот.

Наконец, если теория пространственных вычислений верна, предсказали исследователи, то мощность альфа/бета-ритма и временные характеристики в каждом отдельном испытании должны точно коррелировать с результатами животных. И действительно, были обнаружены значительные различия в сигналах в тех испытаниях, где животные выполняли задания правильно, и в тех, где они допускали ошибки.

В частности, измерения предсказывали ошибки, возникающие из-за несоответствия правил выполнения задания и сенсорной информации. Например, расхождения в альфа- и бета-ритмах касались порядка появления стимулов (сначала квадрат, затем треугольник), а не идентичности отдельных стимулов (квадрат или треугольник).

Совместимо с результатами исследований на людях

В ходе экспериментов на животных исследователи смогли провести прямые измерения отдельных нейронных импульсов, а также мозговых волн, но в статье они отмечают, что другие исследования на людях сообщают о некоторых схожих результатах. Например, исследования с использованием неинвазивных методов регистрации мозговых волн ЭЭГ и МЭГ показывают, что люди используют альфа-ритмы для подавления активности в областях, не имеющих отношения к задаче и находящихся под нисходящим контролем, и что альфа-ритмы, по-видимому, регулируют активность, связанную с выполнением задачи, в префронтальной коре.

Миллер заявил, что результаты нового исследования и их связь с исследованиями на людях обнадеживают, но признал, что необходимы дополнительные доказательства. Например, его лаборатория показала, что мозговые волны, как правило, не неподвижны (как скакалка), а распространяются по различным областям мозга. По его словам, пространственные вычисления должны это учитывать.