Πώς προσαρμόζεται ο εγκέφαλος σε διαφορετικά επίπεδα νοητικών προκλήσεων; Μια νέα μελέτη νευροαπεικόνισης αποκαλύπτει ότι όταν συμμετέχουμε σε πιο σύνθετες γνωστικές εργασίες, η εγκεφαλική μας δραστηριότητα γίνεται όχι μόνο πιο πλούσια σε λεπτομέρειες, αλλά και πιο ρευστή. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι ο εγκέφαλος προσαρμόζει τα μοτίβα δραστηριότητάς του για να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις των εργασιών, επιτρέποντας πιο αποτελεσματική επεξεργασία κατά τη διάρκεια διανοητικά προκλητικών δραστηριοτήτων.
Η μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας ΕπιστημώνΑυτό το έργο υποκινήθηκε από την επιθυμία να κατανοήσουμε πώς ο εγκέφαλος αντιμετωπίζει διαφορετικές γνωστικές απαιτήσεις. Προηγούμενη έρευνα από την ίδια ομάδα είχε αποκαλύψει την εκπληκτική ικανότητα του εγκεφάλου να αναδομεί δεδομένα που λείπουν από απλές μετρήσεις, εγείροντας ερωτήματα σχετικά με το γιατί ο εγκέφαλος είναι σε θέση να παράγει τόσο λεπτομερή και αποτελεσματικά μοτίβα δραστηριότητας με περιορισμένη εισροή.
«Πριν από αρκετά χρόνια, η συν-συγγραφέας μου και μεταπτυχιακός φοιτητής τότε, Lucy Owen, και εγώ σκεφτήκαμε την ιδέα Εισαγωγή σε αυτή τη μελέτη«Όπου βρήκαμε κάτι πολύ εκπληκτικό», εξήγησε ο συγγραφέας της μελέτης Jeremy Manning, αναπληρωτής καθηγητής ψυχολογικών και εγκεφαλικών επιστημών στο Dartmouth College και διευθυντής του Κέντρου Έρευνας Εγκεφάλου και Νευρικού Συστήματος στο Dartmouth. Context Dynamics Laboratory.
«Εκείνη την εποχή, εργαζόμασταν με νευροχειρουργικούς ασθενείς που είχαν εμφυτευμένα ηλεκτρόδια στον εγκέφαλό τους για να παρακολουθήσουμε τη δραστηριότητα των επιληπτικών κρίσεων Η πρόκληση για εμάς στην αντιμετώπιση αυτών των καταγραφών είναι ότι ο εγκέφαλός μας περιέχει περίπου εκατό δισεκατομμύρια νευρώνες, αλλά δεν μπορούμε να εμφυτεύσουμε περισσότερους από έναν. Μερικές εκατοντάδες καλωδίων στον εγκέφαλο κάποιου, λοιπόν, υπάρχει ένα μεγάλο πρόβλημα υποδειγματοληψίας: για κάθε μέτρηση που κάνουμε, χάνουμε ένα δισεκατομμύριο άλλες μετρήσεις στατιστικές «ανακαλύψεις».
«Με μεγάλη έκπληξη ανακαλύψαμε ότι μερικές εκατοντάδες μετρήσεις από ένα ουσιαστικά τυχαίο δείγμα διαφορετικών τοποθεσιών στον εγκέφαλο κάποιου θα μπορούσαν να μας δώσουν αρκετές πληροφορίες για να κάνουμε μια ακριβή εικασία σχετικά με τα πρότυπα δραστηριότητας σε όλο τον εγκέφαλό του, με ακρίβεια μέχρι την κλίμακα χιλιοστών (περίπου στο ίδιο επίπεδο με το καλύτερο fMRI που είναι διαθέσιμο σήμερα), αλλά με ρυθμούς δειγματοληψίας κλίμακας χιλιοστών του δευτερολέπτου (περίπου 1.000 φορές ταχύτεροι από τον fMRI)», δήλωσε ο Manning. «Αν η ανθρώπινη γλώσσα ήταν εξίσου αποτελεσματική, θα μπορούσα να σας πω τις λεπτομέρειες κάθε άρθρου της Wikipedia απλά προφέροντας καμιά δεκαριά λέξεις».
«Σε εκείνη την αρχική μελέτη, μας ενδιέφερε πρωτίστως οι πτυχές «πώς» και «τι» της προσέγγισής μας: με άλλα λόγια, αναφέραμε πώς κατασκευάσαμε το μοντέλο μας και δημιουργήσαμε τις εικασίες, πώς επικυρώσαμε τις εικασίες, ποιες συνθήκες επηρέασαν ακρίβεια, και ούτω καθεξής, αλλά αυτό μας άφησε ένα πολύ βαθύτερο ερώτημα που δεν μπορούσαμε να απαντήσουμε εκείνη τη στιγμή: Γιατί είναι δυνατόν να ανακατασκευάσουμε σχεδόν πλήρως αυτό που κάνει ο εγκέφαλός μας σε μια δεδομένη στιγμή, χρησιμοποιώντας έναν σχετικά μικρό αριθμό μετρήσεων; Αυτό μας οδήγησε σε μια τρύπα κουνελιών με πρόσθετες ερωτήσεις σχετικά με τις βασικές ιδιότητες των προτύπων δραστηριότητας του εγκεφάλου τα αποτελέσματά μας αναφέρονται σε αυτή τη νέα μελέτη.
Για να απαντήσουν σε αυτές τις βαθύτερες ερωτήσεις σχετικά με το πώς ο εγκέφαλος προσαρμόζει τη δραστηριότητά του για να ταιριάζει στις γνωστικές απαιτήσεις, οι ερευνητές εξέτασαν ένα σύνολο δεδομένων που συλλέχθηκαν από προηγούμενα πειράματα νευροαπεικόνισης. Αυτά τα πειράματα περιελάμβαναν σαρώσεις fMRI των συμμετεχόντων ενώ άκουγαν διαφορετικές ηχογραφήσεις.
Μερικοί συμμετέχοντες άκουσαν μια συνεκτική ιστορία επτά λεπτών, ενώ άλλοι άκουσαν μια κωδικοποιημένη εκδοχή της ιστορίας, στην οποία παραγράφοι ή μεμονωμένες λέξεις ήταν τυχαία διατεταγμένες. Η τελική ομάδα υποβλήθηκε σε εξέταση σε κατάσταση ηρεμίας χωρίς κανένα ακουστικό ερέθισμα, με στόχο την προσομοίωση μιας κατάστασης ελάχιστης γνωστικής εμπλοκής.
Ο στόχος ήταν να αναλυθεί πώς αλλάζει η εγκεφαλική δραστηριότητα κάτω από αυτά τα διαφορετικά επίπεδα γνωστικής ζήτησης. Σε μια απαιτητική εργασία – μετά από μια συνεκτική ιστορία – ο εγκέφαλος πρέπει να επεξεργάζεται ενεργά και να οργανώνει πληροφορίες για να κατανοήσει την αφήγηση. Αντίθετα, κατά τη διάρκεια αποδιοργανωμένων συνθηκών ιστορίας, το εγκεφαλικό έργο είναι λιγότερο γνωστικά προκλητικό επειδή οι πληροφορίες είναι λιγότερο σημαντικές. Η κατάσταση ηρεμίας παρείχε ένα βασικό μέτρο της εγκεφαλικής δραστηριότητας απουσία οποιασδήποτε συγκεκριμένης γνωστικής εργασίας.
Οι συγγραφείς προσπάθησαν να μελετήσουν δύο ιδιότητες της εγκεφαλικής δραστηριότητας: την πληροφόρηση και τη συμπιεστότητα. Οι συγγραφείς υπέθεσαν ότι αυτές οι ιδιότητες μπορεί να αλλάξουν ανάλογα με την πολυπλοκότητα της εργασίας, επιτρέποντας στον εγκέφαλο να βρει μια ισορροπία μεταξύ ευελιξίας και αποτελεσματικότητας.
Για να αξιολογήσουν την πληροφορική και τη συμπιεστότητα της εγκεφαλικής δραστηριότητας, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προηγμένες υπολογιστικές τεχνικές. Μέτρησαν την πληροφορική αναλύοντας πόσες συγκεκριμένες πληροφορίες σχετικά με την εργασία αντικατοπτρίζονται στην εγκεφαλική δραστηριότητα των συμμετεχόντων. Από την άλλη πλευρά, η συμπιεστότητα αξιολογήθηκε εξετάζοντας πόσο καλά αντιπροσωπεύονται τα πρότυπα εγκεφαλικής δραστηριότητας χρησιμοποιώντας λιγότερα στοιχεία ή σημεία δεδομένων. Ένα μοτίβο εγκεφάλου με υψηλό στρες είναι αυτό που απαιτεί λιγότερα κομμάτια πληροφοριών για την αναδόμηση της πλήρους δραστηριότητας.
«Στον κόσμο της μηχανικής μάθησης, η ικανότητα ανασυγκρότησης ενός λεπτομερούς μοτίβου από τα μέρη του ονομάζεται «συμπίεση»», δήλωσε ο Manning στο PsyPost. «Μοτίβα υψηλής συμπίεσης μπορούν να ανακατασκευαστούν με ακρίβεια από ένα μικρό κομμάτι, όπως η ανακατασκευή ολόκληρου του κειμένου ενός μυθιστορήματος από μία μόνο λέξη. Υπάρχει μια άλλη σχετική ιδιότητα που ονομάζεται «ειδήσεις». – παρόμοιο με το μήκος Το μυθιστόρημα.”
Οι ερευνητές κατέληξαν σε δύο βασικά αποτελέσματα. Το πρώτο ήταν ότι η εγκεφαλική δραστηριότητα ήταν πιο κατατοπιστική και ευαίσθητη στο άγχος όταν οι συμμετέχοντες ασχολούνταν με το πιο απαιτητικό έργο της ακρόασης μιας συνεκτικής ιστορίας σε σύγκριση με την ανακατεμένη ιστορία ή τις συνθήκες ανάπαυσης. Αυτό υποδηλώνει ότι κατά τη διάρκεια γνωστικών εργασιών υψηλότερου επιπέδου, ο εγκέφαλος παράγει λεπτομερή δραστηριότητα που είναι επίσης πλούσια σε πληροφορίες και αποτελεσματικά οργανωμένη. Σε απλούστερες εργασίες ή κατά τη διάρκεια της ανάπαυσης, η εγκεφαλική δραστηριότητα είναι λιγότερο οργανωμένη και περιέχει λιγότερες συγκεκριμένες πληροφορίες.
Δεύτερον, η μελέτη διαπίστωσε ότι αυτά τα εγκεφαλικά μοτίβα έγιναν πιο χρήσιμα και εύπλαστα με την πάροδο του χρόνου καθώς οι συμμετέχοντες συνέχισαν να ακούν τη συνεκτική ιστορία. Καθώς η αφήγηση αναπτύχθηκε, ο εγκέφαλος φαινόταν να προσαρμόζεται βελτιώνοντας και τελειοποιώντας τα πρότυπα δραστηριότητάς του. Αυτό το μοτίβο ήταν λιγότερο έντονο στις αποδιοργανωμένες συνθήκες, όπου η έλλειψη συνεκτικής δομής στην ιστορία πιθανότατα οδήγησε σε μειωμένη πνευματική δέσμευση και, κατά συνέπεια, μειωμένη οργάνωση της εγκεφαλικής δραστηριότητας.
«Προχωρώντας σε αυτή τη μελέτη, υποθέσαμε ότι η «πίεση» και η «πληροφορική» είχαν αλλάξει αντίστροφο Ο Μάνινγκ είπε: «Αυτό μοιάζει είτε με την ικανότητα ανασύνθεσης σύντομων αφηγήσεων από λίγες μόνο λέξεις (ίσως υπό ορισμένες γνωστικές συνθήκες – που αντιπροσωπεύουν υψηλή συμπιεστότητα αλλά χαμηλή πληροφόρηση) είτε με την ικανότητα αναδόμησης μεγαλύτερων αφηγήσεων από περισσότερες λέξεις (ίσως σε… Κάτω από ορισμένες γνωστικές συνθήκες – που αντιπροσωπεύουν υψηλή συμπιεστότητα αλλά χαμηλή πληροφόρηση) διάφορος Περιστάσεις – αντιπροσωπεύουν λίγο Συμπιεστότητα και Ψηλά (πληροφορική). Διαπιστώσαμε ότι η πίεση και η πληροφορική αλλάζουν σε… ίδιο «Η καθοδήγηση μας βοήθησε να καταλάβουμε ότι αυτές οι δύο πτυχές του τρόπου με τον οποίο αντιδρά ο εγκέφαλός μας μπορεί να διαφέρουν ανεξάρτητα η μία από την άλλη».
Οι ερευνητές εξέτασαν επίσης πιο προσεκτικά διαφορετικά δίκτυα εγκεφάλου για να δουν εάν ορισμένες περιοχές επηρεάζονται από την πολυπλοκότητα των εργασιών περισσότερο από άλλες. Βρήκαν ότι τα δίκτυα εγκεφάλου υψηλότερης τάξης, τα οποία συνήθως συνδέονται με πολύπλοκες λειτουργίες όπως η λήψη αποφάσεων και η μνήμη, έδειξαν πιο έντονες αλλαγές στην πληροφορική και τη συμπιεστότητα από τα δίκτυα χαμηλότερης τάξης, τα οποία εμπλέκονται κυρίως στη βασική αισθητηριακή επεξεργασία. Αυτό υποστηρίζει την ιδέα ότι η ικανότητα του εγκεφάλου να ρυθμίζει τη δραστηριότητά του δεν είναι ομοιόμορφη σε όλες τις περιοχές. Αντίθετα, οι περιοχές που εμπλέκονται σε πιο σύνθετες γνωστικές λειτουργίες ανταποκρίνονται ειδικά στις απαιτήσεις των εργασιών.
«Γνωρίζουμε εδώ και πολύ καιρό ότι οι «σκέψεις» μας προέρχονται από μοτίβα ηλεκτρικής δραστηριότητας στον εγκέφαλό μας», είπε ο Manning στο PsyPost. «Αυτό που βρήκαμε είναι ότι ο εγκέφαλός μας φαίνεται να αλλάζει τη «γλώσσα» στην οποία εκφράζονται αυτά τα μοτίβα ανάλογα με το τι κάνουμε τρόπο όπου γίνονται τα πρότυπα δραστηριότητας και οι δύο Εξαιρετικά συμπιεστό και κατατοπιστικό.
«Με άλλα λόγια, ο εγκέφαλός μας αρχίζει να αντιπροσωπεύει αυτό που κάνουμε ή σκεφτόμαστε με πολύ αποτελεσματικό τρόπο και έχει μια τεράστια ικανότητα να αντιστέκεται στη διαφθορά των δεδομένων Τι κάνει ο εγκέφαλος ενός ατόμου.
«Όταν σταματάμε να ασχολούμαστε ή όταν σκεφτόμαστε πιο επιφανειακά τι κάνουμε, ο εγκέφαλός μας μετατοπίζεται σε μια πολύ λιγότερο αποτελεσματική λειτουργία, όπου τα πρότυπα δραστηριότητας γίνονται λιγότερο δομημένα, λιγότερο χρήσιμα και πιο προσωπικά», πρόσθεσε ο Manning. «Δεν είμαστε απολύτως σίγουροι γιατί συμβαίνει αυτό, αλλά προσφέρουμε κάποιες εικασίες στην εφημερίδα μας».
Η έρευνα παρέχει πολύτιμες γνώσεις για τους βασικούς μηχανισμούς της ανθρώπινης γνώσης. Αλλά η μελέτη, όπως όλες οι έρευνες, έχει περιορισμούς. Η μελέτη εξέτασε μόνο ένα συγκεκριμένο σύνολο εργασιών και ερεθισμάτων, πράγμα που σημαίνει ότι τα αποτελέσματα μπορεί να μην ισχύουν για όλους τους τύπους νοητικών δραστηριοτήτων. Επιπλέον, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια μέθοδο για τη μέτρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας – τη λειτουργική μαγνητική τομογραφία – η οποία παρέχει μια λεπτομερή εικόνα της εγκεφαλικής δραστηριότητας, αλλά περιορίζεται από τον σχετικά αργό ρυθμό δειγματοληψίας σε σύγκριση με άλλες τεχνικές.
«Εξετάσαμε δεδομένα από λίγο περισσότερους από 100 συμμετέχοντες, χρησιμοποιώντας ένα σύνολο πειραματικών συνθηκών και χρησιμοποιώντας μία μέθοδο για τη μέτρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας», σημείωσε ο Manning. «Αν και είναι δελεαστικό να γενικεύουμε «σε όλους τους ανθρώπους και τις συνθήκες», το αληθινό τεστ αυτών των ευρημάτων, όπως και με κάθε μελέτη, θα είναι το πόσο καλά αναπαράγονται και γενικεύονται».
Οι ερευνητές προτείνουν ότι μελλοντικές μελέτες θα μπορούσαν να διερευνήσουν πώς η ικανότητα του εγκεφάλου να ρυθμίζει την πληροφόρηση και το άγχος εφαρμόζεται σε άλλες γνωστικές διαδικασίες, όπως η λήψη αποφάσεων, η επίλυση προβλημάτων ή η δημιουργικότητα. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αλλάζουν αυτές οι ιδιότητες του εγκεφάλου σε διαφορετικά περιβάλλοντα μπορεί να προσφέρει νέες γνώσεις για τη φύση της γνώσης και πώς ο εγκέφαλος προσαρμόζεται σε ένα ευρύ φάσμα νοητικών προκλήσεων.
Παρά τους περιορισμούς της, η μελέτη παρέχει συναρπαστική εικόνα για το πώς ο εγκέφαλος οργανώνεται για να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις περίπλοκων εργασιών. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ικανότητα του εγκεφάλου να προσαρμόζεται δεν περιορίζεται στην ενεργοποίηση περισσότερων περιοχών ή στην σκληρότερη εργασία, αλλά μάλλον περιλαμβάνει την προσαρμογή των προτύπων δραστηριότητάς του για την επίτευξη ισορροπίας μεταξύ ευελιξίας και αποτελεσματικότητας.
Μακροπρόθεσμα, αυτή η γραμμή έρευνας μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα πώς ο εγκέφαλος υποστηρίζει υψηλότερες γνωστικές λειτουργίες και τι συμβαίνει όταν αυτές οι διαδικασίες διαταράσσονται, όπως σε καταστάσεις όπως η άνοια ή ο τραυματικός εγκεφαλικός τραυματισμός. Εντοπίζοντας μηχανισμούς που επιτρέπουν στον εγκέφαλο να βελτιστοποιεί τη δραστηριότητά του για να εκτελεί διαφορετικές εργασίες, οι ερευνητές μπορεί τελικά να αναπτύξουν νέες παρεμβάσεις ή θεραπείες για την υποστήριξη της γνωστικής υγείας και της ανάκαμψης.
«Είμαστε πολύ περίεργοι να κατανοήσουμε θεμελιώδεις ερωτήσεις σχετικά με το πώς λειτουργεί ο εγκέφαλός μας και τι μας κάνει «εμείς». Αυτή η γραμμή εργασίας είναι ένα μικρό μέρος της ευρύτερης βιβλιογραφίας που στοχεύει να αποκαλύψει τη νευρωνική βάση της σκέψης», είπε ο Manning. «Η ιστοσελίδα μου είναι www.context-lab.com“Ο ιστότοπος περιέχει συνδέσμους προς όλες τις δημοσιεύσεις, τα δεδομένα και το λογισμικό του εργαστηρίου μου, καθώς και ορισμένα ανοιχτά μαθήματα που μπορεί να ενδιαφέρουν άτομα που θέλουν να μάθουν περισσότερα για αυτό το θέμα.”
η μελέτη»,Η γνωστική ικανότητα υψηλότερου επιπέδου υποστηρίζεται από πλούσια σε πληροφορίες αλλά συμπιέσιμα μοτίβα εγκεφαλικής δραστηριότηταςΤο βιβλίο γράφτηκε από τους Lucy L. W. Owen και Jeremy R. Manning.