Люди могут выполнять широкий спектр умственных операций и корректировать свои поведенческие реакции на основе внешних инструкций и внутренних убеждений. Например, чтобы постукивать ногами под музыкальный ритм, ваш мозг должен обрабатывать входящий звук, а также использовать ваши внутренние знания о том, как идет песня.
Нейробиологи Массачусетского технологического института определили стратегию, которую мозг использует для быстрого выбора и гибкого выполнения различных умственных операций. Чтобы сделать это открытие, они применили математическую структуру, известную как анализ динамических систем, чтобы понять логику, которая управляет эволюцией нейронной активности в больших популяциях нейронов.
"Мозг может комбинировать внутренние и внешние сигналы для выполнения новых вычислений на лету," говорит Мехрдад Джазайери, Роберт А. Свонсон, профессор биологических наук, член Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте и старший автор исследования. "Что делает это замечательным, так это то, что мы можем вносить коррективы в свое поведение в гораздо более короткие сроки, чем может изменить оборудование мозга. Оказывается, одно и то же оборудование может принимать множество разных состояний, и мозг использует инструкции и убеждения, чтобы выбирать между этими состояниями."
Предыдущая работа группы Джазайери показала, что мозг может контролировать, когда он инициирует движение, изменяя скорость, с которой паттерны нейронной активности развиваются с течением времени. Здесь они обнаружили, что мозг гибко контролирует эту скорость на основе двух факторов: внешних сенсорных входов и корректировки внутренних состояний, которые соответствуют знаниям о правилах выполняемой задачи.
Эван Ремингтон, постдок Института Макговерна, является ведущим автором статьи, появившейся в выпуске Neuron от 6 июня. Другие авторы – бывший постдок Девика Нараин и аспирант Массачусетского технологического института Эгбал Хоссейни.
На старт, внимание, марш
Нейробиологи считают, что "когнитивная гибкость," или способность быстро адаптироваться к новой информации, находится в верхних областях коры головного мозга, но мало что известно о том, как мозг достигает такой гибкости.
Чтобы понять новые результаты, полезно подумать о том, как переключатели и шкалы могут быть использованы для изменения выхода электрической цепи. Например, в усилителе переключатель может выбирать источник звука, управляя входом в схему, а диск может регулировать громкость, управляя внутренними параметрами, такими как переменное сопротивление. Команда Массачусетского технологического института предположила, что мозг аналогичным образом преобразует инструкции и убеждения во входные данные и внутренние состояния, которые контролируют поведение нейронных цепей.
Чтобы проверить это, исследователи записали нейронную активность во фронтальной коре головного мозга животных, обученных выполнять задание гибкого выбора времени, называемое "на старт, внимание, марш." В этом задании животное видит две визуальные вспышки -"готов" а также "установленный"- которые разделены интервалом между 0.5 и 1 секунда, и инициирует движение -"идти"- некоторое время спустя "установленный." Животное должно начать движение так, чтобы "готовность" интервал либо такой же, либо 1.В 5 раз больше "готовый" интервал. Инструкция по использованию множителя 1 или 1.5 предоставляется в каждом испытании.
Нейронные сигналы, записанные во время "готовность" интервал четко несут информацию как о множителе, так и об измеренной длине "готовый" промежуток времени, но природа этих представлений казалась ошеломляюще сложной. Чтобы расшифровать логику этих представлений, исследователи использовали структуру анализа динамических систем. Этот анализ используется при исследовании широкого спектра физических систем, от простых электрических цепей до космических кораблей.
Применение этого подхода к нейронным данным в "на старт, внимание, марш" Задача позволила Джазайери и его коллегам выяснить, как мозг регулирует входные данные и начальные условия лобной коры, чтобы гибко контролировать время движения. Операция, подобная переключателю, устанавливает вход, связанный с правильным множителем, а операция, подобная циферблату, регулирует состояние нейронов на основе "готовый" интервал. Эти две взаимодополняющие стратегии управления позволяют одному и тому же оборудованию вести себя по-разному.
"Мост между поведением и нейробиологией"
Исследователи говорят, что остается множество безответных вопросов о том, как мозг достигает такой гибкости. Теперь они пытаются выяснить, какая часть мозга отправляет информацию о множителе в лобную кору, а также надеются изучить, что происходит в этих нейронах, когда они сначала изучают задачи, требующие от них гибкого реагирования.
"Мы не соединили все точки, от поведенческой гибкости до нейробиологических деталей. Но что мы сделали, так это установили алгоритмическое понимание, основанное на математике динамических систем, которое служит мостом между поведением и нейробиологией," Джазаери говорит.
Исследователи также надеются выяснить, может ли этот тип модели помочь объяснить поведение других частей мозга, которые должны гибко выполнять вычисления.