Исследование, опубликованное в журнале Nature, показало, что нейронные вычисления у разных людей могут быть реализованы для решения одних и тех же задач по принятию решений, даже если поведенческие результаты кажутся идентичными.

Когнитивная гибкость — это способность мозга адаптировать свою реакцию на один и тот же внешний стимул , например, свет или звук, на основе различных контекстов. Например, если кто-то зовет вас по имени в переполненной комнате, вам необходимо сосредоточиться на месте звука или характеристиках голоса, чтобы идентифицировать человека. Эта гибкость в выборе и обработке релевантной информации при игнорировании нерелевантной информации имеет решающее значение для выживания и эффективного взаимодействия с окружающей средой.

Хотя ранее изучалось, индивидуальная изменчивость нейронных вычислений, дающих одинаковые результаты, плохо изучена и не имеет всеобъемлющей структуры. Исследователи в исследовании Nature стремились понять эти механизмы.

Phys.org поговорил с первым автором статьи, доктором Марино Паганом, который провел описанные в статье эксперименты в качестве постдокторанта под руководством Карлоса Броди в Принстонском университете.

«Как компьютерный инженер, я всегда был глубоко очарован способностью нашего мозга выполнять сложные вычисления. В частности, мне очень интересно понять когнитивную гибкость . Эта способность имеет решающее значение в нашей повседневной жизни, и ее нарушение может привести к проблемам в виде нарушений нейроразвития », — сказал доктор Пейган.

Исследование когнитивной гибкости

Исследователи стремились разработать структуру, объясняющую, как нейронные сети вычисляют контекстно-зависимый выбор и связывают нейронную и поведенческую изменчивость. Они начали с обучения крыс выполнять задачи принятия решений на основе внешних слуховых сигналов. Их принятие решений основывалось на наборе из двух чередующихся правил.

Правило местоположения требовало, чтобы крысы реагировали на местоположение серии звуковых щелчков. С другой стороны, правило частоты требовало, чтобы они реагировали на частоту щелчков, игнорируя свое местоположение.

Контекстная подсказка перед каждым правилом информировала крыс о том, какому правилу следовать. Правила быстро менялись, требуя от крыс быстрой корректировки процесса принятия решений.

«Крысы могут научиться решать эту задачу с очень высокой точностью, а анализ их поведения и нейронной активности в ходе множества испытаний позволяет нам точно охарактеризовать механизмы, которые они используют для выбора соответствующих контексту стимулов и принятия правильных решений», — сказал доктор Пэйган.

Чтобы понять, как крысы обрабатывали каждую задачу, исследователи измерили нейронную активность крыс. Измерения были записаны из фронтальных ориентировочных полей (FOF), области мозга, участвующей в принятии решений и ориентировочных реакциях на внешние стимулы, особенно в плане корректировки поведения на основе контекста. Это позже помогло бы понять механизмы, действующие в зависимом от содержания принятии решений.

Разработка фреймворка

Исследователи разработали теоретическую структуру для объяснения того, как мозг вычисляет принятие решений, зависящих от контекста. Она была основана на трех возможных динамических решениях того, как мозг может обрабатывать информацию.

Затем исследователи разработали RNN для моделирования того, как каждое решение может быть использовано для решения задачи, поставленной перед крысами. RNN — это тип искусственной нейронной сети, используемый в машинном обучении, предназначенный для обработки последовательных данных, таких как временные ряды или закономерности, которые меняются со временем.

«RNN можно обучить решать ту же задачу, что и крысы, используя различные механизмы. Мы охарактеризовали вариации в их нейронных реакциях, которые служили сигнатурами для этих механизмов. Затем мы применили тот же анализ к нейронной активности крыс и обнаружили различные нейронные сигнатуры у отдельных животных», — пояснил доктор Пейган.

Такой подход позволил им составить карту всего спектра возможных стратегий, которые могли бы решить задачу, и сопоставить их с реальными нейронными сигнатурами, наблюдаемыми у крыс.

Все ли мозги используют один и тот же механизм для решения таких сложных задач?

Нет. Исследователи обнаружили, что не все мозги используют один и тот же механизм для решения задачи, даже если достигается одинаковый результат.

«Измерения динамики мозга различались у разных животных, что говорит о том, что разные мозги используют разные механизмы для решения одной и той же задачи, хотя на первый взгляд может показаться, что их поведение очень похоже. Этот результат важен, поскольку раньше было очень сложно изучать такого рода индивидуальную изменчивость», — отметил доктор Пейган.

Кроме того, команда обнаружила сильную корреляцию между изменчивостью нейронных реакций и поведенческими результатами, определив нейронные сигнатуры для этих корреляций. Результаты моделей RNN совпали с наблюдаемой мозговой активностью у крыс, подтвердив их вывод о высокой степени индивидуальной изменчивости при выполнении одной и той же задачи.

Изменчивость и нарушения

Это исследование предоставляет первую всеобъемлющую структуру для определения индивидуальной изменчивости в гибком принятии решений на основе контекста, сокращая разрыв между нейронной активностью и поведением. Найденные доказательства являются конкретными и предоставляют инструмент для изучения этой изменчивости.

Говоря о дальнейшем развитии этого исследования, доктор Пэйган упомянул два направления, которые в настоящее время развиваются в Эдинбургском университете, где он является руководителем группы в Инициативе Саймонса по развитию мозга (SIDB).

«Первый фокусируется на понимании источника существенной изменчивости, наблюдаемой в разных типах мозга. Мы хотим узнать, является ли эта изменчивость врожденной и предопределенной с рождения или она развивается в процессе обучения», — сказал он.

«Второе направление изучает, как когнитивная гибкость и принятие решений влияют на нарушения нейроразвития. Несмотря на значительные успехи в выявлении генетических основ этих расстройств, механизмы, связывающие генетические мутации с когнитивными дефицитами, остаются плохо изученными», — заключил доктор Пейган.