Наши мысли определяются нашими знаниями и планами, но при этом наше мышление может быть быстрым и гибким в обработке новой информации. Как же в мозге, состоящем из миллиардов нейронов и нейронных цепей, возникает хорошо контролируемое и в то же время очень гибкое мышление? Новое исследование, проведённое учёными из Института обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте, на основе экспериментов на животных предоставляет новые доказательства того, что ответом может быть теория под названием «пространственные вычисления».
Теория пространственных вычислений, впервые предложенная в 2023 году профессором Пикоуэром Эрлом К. Миллером и его коллегами Микаэлем Лундквистом и Павлом Германом, объясняет, как нейроны в префронтальной коре могут на лету объединяться в функциональные группы, способные обрабатывать информацию, необходимую для выполнения когнитивной задачи. Более того, эта теория позволяет нейронам участвовать в нескольких таких группах, поскольку многолетние эксперименты показали, что многие префронтальные нейроны действительно могут выполнять несколько задач одновременно. Основная идея теории заключается в том, что мозг формирует и организует специальные «оперативные группы» нейронов, используя «альфа-» и «бета-» частотные мозговые волны (около 10–30 Гц) для подачи управляющих сигналов на физические участки префронтальной коры. Вместо того чтобы каждый раз перестраиваться в новые физические цепи для выполнения новой задачи, нейроны в участке обрабатывают информацию, следуя паттернам возбуждения и торможения, создаваемым волнами.
По словам Миллера, альфа- и бета-частотные волны можно представить в виде трафаретов, которые определяют, когда и где в префронтальной коре группы нейронов могут получать или передавать информацию, поступающую от органов чувств. Таким образом, волны представляют собой правила выполнения задачи и могут организовывать электрические «импульсы» нейронов для обработки информации, необходимой для выполнения задачи.
«Познание — это крупномасштабная нейронная самоорганизация, — говорит Миллер, старший автор статьи в Current Biology и преподаватель кафедры наук о мозге и когнитивных науках Массачусетского технологического института. — Пространственные вычисления объясняют, как мозг это делает».
Проверка пяти предположений
Теория — это всего лишь идея. В ходе исследования ведущий автор работы Чжэнь Чэнь и другие нынешние и бывшие сотрудники лаборатории Миллера проверили теорию пространственных вычислений, выяснив, подтверждаются ли пять её предположений о нейронной активности и паттернах мозговых волн в измерениях, проведённых в префронтальной коре головного мозга животных, когда они выполняли две задачи на рабочую память и одну на категоризацию. В заданиях нужно было обрабатывать отдельные фрагменты сенсорной информации (например, «на экране появился синий квадрат, а затем зелёный треугольник») и следовать правилам (например, «когда на экране появляются новые фигуры, соответствуют ли они фигурам, которые я видел раньше, и появляются ли они в том же порядке?»).
Первые два предположения заключались в том, что альфа- и бета-волны должны соответствовать контролю над выполнением задачи и правилам, а импульсная активность нейронов должна соответствовать сенсорным входным данным. Когда исследователи проанализировали данные о мозговых волнах и импульсной активности, собранные с помощью четырёх электродных матриц, имплантированных в кору головного мозга, они обнаружили, что эти предположения действительно верны. Нейронные импульсы, но не альфа- и бета-волны, передавали сенсорную информацию. Хотя и импульсы, и альфа- и бета-волны передавали информацию о задаче, она была наиболее выраженной в волнах и достигала пика в те моменты, когда для выполнения задачи требовались правила.
Примечательно, что в задании на категоризацию исследователи намеренно варьировали уровень абстракции, чтобы сделать категоризацию более или менее сложной с когнитивной точки зрения. Исследователи заметили, что чем сложнее было задание, тем сильнее была мощность альфа- и бета-волн, что ещё раз доказывает, что они несут в себе правила выполнения задачи.
Следующие два предсказания заключались в том, что альфа- и бета-ритмы будут пространствено организованы и что там, где они будут сильными, сенсорная информация, представленная в виде всплесков, будет подавляться, а там, где они будут слабыми, всплески будут усиливаться. Эти предсказания также подтвердились. Под электродами Чен, Миллер и их команда увидели чёткие пространственные паттерны с более высокой или более низкой мощностью волн. Там, где мощность была высокой, сенсорная информация в виде всплесков была низкой, и наоборот.
Наконец, исследователи предположили, что если теория пространственных вычислений верна, то мощность альфа- и бета-ритмов и их синхронизация должны точно коррелировать с результатами животных. И действительно, были выявлены значительные различия в сигналах в тех случаях, когда животные выполняли задания правильно, и в тех случаях, когда они допускали ошибки. В частности, измерения показали, что ошибки возникали из-за непонимания правил выполнения задания, а не из-за сенсорной информации. Например, различия в альфа- и бета-ритмах были связаны с порядком появления стимулов (сначала квадрат, затем треугольник), а не с самими стимулами (квадрат или треугольник).
Совместимо с результатами, полученными при исследовании людей
Экспериментируя на животных, исследователи смогли провести прямые измерения отдельных нейронных импульсов, а также мозговых волн, но в своей статье они отмечают, что в других исследованиях, проведённых на людях, были получены схожие результаты. Например, исследования с использованием неинвазивных методов измерения мозговых волн с помощью ЭЭГ и МЭГ показывают, что люди используют альфа-колебания для подавления активности в областях, не связанных с выполнением задачи, и что альфа-колебания, по-видимому, управляют активностью в префронтальной коре, связанной с выполнением задачи.
Хотя Миллер считает результаты нового исследования и их связь с исследованиями на людях обнадеживающими, он признает, что необходимы дополнительные доказательства. Например, его лаборатория показала, что мозговые волны обычно не остаются неподвижными (как при прыжках через скакалку), а распространяются по разным участкам мозга. По его словам, пространственные вычисления должны учитывать это.
Помимо Чена и Миллера, авторами статьи являются Скотт Бринкат, Микаэль Лундквист, Роман Лунис и Мелисса Уорден.
Исследование финансировалось Управлением военно-морских исследований, фондом Freedom Together и Институтом обучения и памяти Пикауэра.
Источник:
Институт Пикауэра при Массачусетском технологическом институте
Ссылка на журнал:
Чен, З., и др. (2025). Осцилляторное управление кортикальным пространством как вычислительное измерение. Current Biology. DOI: 10.1016/j.cub.2025.11.072. https://www.cell.com/current-biology/abstract/S0960-9822(25)01613-6
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся