05:00 
Наши мысли определяются нашими знаниями и планами, однако наше познание также может быть быстрым и гибким в обработке новой информации. Как хорошо контролируемая и в то же время очень гибкая природа познания возникает из анатомии мозга, состоящей из миллиардов нейронов и цепей? Новое исследование, проведенное исследователями из Института обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте, на основе тестов на животных дает новые доказательства того, что ответом может быть теория под названием «Пространственные вычисления».
Теория пространственных вычислений, впервые предложенная в 2023 году профессором Пикауэра Эрлом К. Миллером и его коллегами Микаэлем Лундквистом и Павлом Херманом, объясняет, как нейроны в префронтальной коре могут на лету организовываться в функциональную группу, способную выполнения обработки информации, необходимой для когнитивной задачи. Более того, это позволяет нейронам участвовать в нескольких таких группах, поскольку годы экспериментов показали, что многие префронтальные нейроны действительно могут участвовать в нескольких задачах одновременно. Основная идея теории заключается в том, что мозг рекрутирует и организует специальные «оперативные группы» нейронов, используя мозговые волны «альфа» и «бета» частот (около 10-30 Гц) для подачи управляющих сигналов к физическим участкам префронтальной коры. Вместо того, чтобы перестраиваться в новые физические цепи каждый раз, когда необходимо выполнить новую задачу, нейроны в пластыре вместо этого обрабатывают информацию, следуя шаблонам возбуждения и торможения, налагаемым волнами.
Думайте о волнах альфа- и бета-частот как о трафаретах, которые определяют, когда и где в префронтальной коре группы нейронов могут воспринимать или выражать информацию от органов чувств, — сказал Миллер. Таким образом, волны представляют собой правила задачи и могут организовать электрическую «стимуляцию» нейронов для обработки информационного контента, необходимого для задачи.
«Познание — это крупномасштабная нейронная самоорганизация», — сказал Миллер, старший автор статьи в журнале Современная биология и преподаватель кафедры мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института. «Пространственные вычисления объясняют, как мозг это делает».
Проверка пяти предсказаний
Теория — это всего лишь идея. В исследовании ведущий автор Чжэнь Чен и другие нынешние и бывшие сотрудники лаборатории Миллера проверили пространственные вычисления, проверив, были ли пять предсказаний, которые они делают о нейронной активности и моделях мозговых волн, действительно очевидными в измерениях, проведенных в префронтальной коре животных, когда они выполняли две задачи рабочей памяти и одну задачу категоризации. В задачах были отдельные фрагменты сенсорной информации, которые нужно было обработать (например, «на экране появлялся синий квадрат, за которым следовал зеленый треугольник») и правила, которым нужно было следовать (например, «когда на экране появляются новые фигуры, соответствуют ли они формам, которые я видел раньше, и появляются ли они в том же порядке?»)
Первые два прогноза заключались в том, что альфа- и бета-волны должны представлять элементы управления задачами и правила, в то время как пиковая активность нейронов должна представлять сенсорные входные данные. Когда исследователи проанализировали мозговые волны и пиковые значения, собранные с помощью четырех электродных решеток, имплантированных в кору головного мозга, они обнаружили, что эти предсказания действительно оказались верными. Нейронные спайки, а не альфа/бета-волны, передают сенсорную информацию. Хотя и пики, и альфа/бета-волны несут информацию о задачах, она была самой сильной в волнах и достигала пика в моменты, когда для выполнения задач требовались правила.
Примечательно, что в задаче категоризации исследователи намеренно меняли уровень абстракции, чтобы сделать категоризацию более или менее когнитивно сложной. Исследователи увидели, что чем выше сложность, тем сильнее была мощность альфа/бета-волн, что еще раз показало, что она подчиняется правилам выполнения задач.
Следующие два предсказания заключались в том, что альфа/бета будут пространственно организованы и что когда и там, где они сильны, сенсорная информация, представленная всплесками, будет подавляться, но там, где и когда они слабы, всплески будут увеличиваться. Эти прогнозы также подтвердились в данных. Под электродами Чен, Миллер и команда могли видеть отчетливые пространственные закономерности с более высокой или низкой мощностью волн, а там, где мощность была высокой, сенсорная информация при введении импульсов была низкой, и наоборот.
Наконец, если пространственные вычисления верны, предсказывают исследователи, то испытание за испытанием альфа/бета-мощность и время должны точно коррелировать с производительностью животных. Действительно, существовали значительные различия в сигналах в испытаниях, где животные выполняли задания правильно, и в тех случаях, когда они допускали ошибки. В частности, измерения предсказывали ошибки из-за неправильного использования правил выполнения задач и сенсорной информации. Например, расхождения альфа/бета относились к порядку появления стимулов (сначала квадрат, затем треугольник), а не к идентичности отдельных стимулов (квадрат или треугольник).
