Исследователи изучили, как мозг обрабатывает логические выводы. Они записывали активность нейронов у людей, которые учились методом проб и ошибок. Оказалось, что во время успешного вывода новых правил на основе предшествующих знаний в определённых областях мозга, особенно в гиппокампе, формируются геометрические нейронные представления. Это позволяет нам кодировать концептуальные знания в мозге.
Эти результаты могут стать основой для будущих методов лечения неврологических и психиатрических расстройств. Они также показали, что схожие нейронные паттерны формируются независимо от того, происходит ли обучение посредством опыта или устных инструкций.
Наш мозг постоянно ищет связи между вещами в мире. Например, мы можем понять, почему плохая погода приводит к задержкам на работе или как условия окружающей среды влияют на эволюцию видов.
Новое исследование, основанное на данных активности мозга людей, дало ценные сведения о том, как мозг обрабатывает логические выводы. Это поможет нам лучше понять, как мы учимся и как извлекаем знания из опыта.
«Мы начинаем понимать, как работает наш мозг, когда мы учимся и делаем логические выводы», — сказал Ули Рутисхаузер (Ueli Rutishauser), соавтор исследования и профессор нейробиологии, нейрохирургии и биомедицинских наук.
Исследование, проведённое в рамках межинституционального консорциума, финансируемого Инициативой «Исследование мозга посредством развития инновационных нейротехнологий®» Национального института здравоохранения, было опубликовано сегодня в Nature.
Учёные использовали электрические записи более чем 3000 нейронов у 17 добровольцев с эпилепсией, проходивших инвазивное наблюдение в больнице для определения источников их припадков. Исследователи собрали «уникально показательный набор данных», который позволил им впервые отследить, как клетки мозга представляют процесс обучения, имеющий решающее значение для логических рассуждений.
Записывая данные по нейронам, учёные предложили участникам выполнить простую задачу на логический вывод. В этом задании испытуемые методом проб и ошибок обнаруживали правильные ассоциации между изображениями, например, между изображением автомобиля или фрукта и нажатием левой или правой кнопки.
Как только участники выучили эти ассоциации для набора изображений, исследователи повернули, а затем переключили кнопку, которая была правильной ассоциацией для каждого изображения. Первоначально добровольцы сделали неправильный выбор, так как не осознавали, что ранее изученные ассоциации изменились. Однако эти ошибки позволили добровольцам быстро сделать вывод, что новое правило для кнопок с изображением вступило в силу, и они могли дополнительно сделать вывод, что все новые правила для кнопок с изображением изменились, даже те, которые им ещё предстоит испытать.
Учёные сравнивают эту экспериментальную задачу с выводами из реальной жизни, которые часто приходится делать путешественникам, путешествующим за границу. «Если вы живёте и в Нью-Йорке, и в Лондоне, и летите в Великобританию, вы знаете, что вам нужно смотреть направо, когда вы хотите перейти дорогу. Вы перешли в другое психическое состояние, которое отражает правила дорожного движения, которые вы выучили, живя в Лондоне», — сказал доктор Стефано Фузи (Stefano Fusi), также профессор нейробиологии в Колледже врачей и хирургов Колумбийского университета Вагелос и член Колумбийского центра теоретической нейронауки.
«Даже если вы посещаете места в Великобритании, где никогда не были, например, сельскую местность в Уэльсе, вы делаете вывод, что новые правила там по-прежнему применяются», — добавил он. «При переходе дороги вам всё равно придётся смотреть направо, а не налево».
Эта работа раскрывает нейронную основу концептуальных знаний, которая необходима для рассуждений, умозаключений, планирования и даже регулирования эмоций.
Но как эти виды мышления физически выражаются в деятельности нейронов?
Используя математические инструменты, которые доктор Фуси отточил для интеграции записей тысяч нейронов, исследователи преобразуют мозговую активность добровольцев в геометрические представления – то есть в формы – хотя и занимающие тысячи измерений вместо привычных трёх измерений, которые мы обычно визуализируем.
Когда исследователи сравнили формы мозговой активности в тех случаях, когда испытуемые делали успешные выводы, и в тех случаях, когда их выводы были неудачными, выявились резкие различия.
«В определённых популяциях нейронов во время обучения мы видели переходы от неупорядоченных представлений к этим красивым геометрическим структурам, которые коррелировали со способностью рассуждать логически», — сказал доктор Фузи.
Более того, исследователи наблюдали эти структуры только в записях гиппокампа, а не в других областях мозга, за которыми наблюдали учёные, таких как миндалевидное тело и корковые области лобных долей. Это удивительная находка, поскольку гиппокамп уже давно рассматривается как место мозга, воплощающее нейронные карты физических пространств. Новые результаты показывают, что он также может создавать когнитивные карты, связанные с такими функциями мозга, как умение делать выводы и обучение.
Доктор Рутисхаузер сообщил о потрясающих результатах исследования. Добровольцы, которые изучали ассоциативные правила между изображениями и кнопками только с помощью словесных инструкций, без опыта проб и ошибок, всё равно создавали в гиппокампе одинаковые «красиво структурированные нейронные представления».
Это важное наблюдение, потому что люди часто учатся друг у друга через словесный обмен, но мало известно о том, как вербальная информация влияет на нейронные представления.
Доктор Рутисхаузер объяснил: «Устное обучение — это то, как мы накапливаем знания о вещах, с которыми мы никогда не сталкивались. Наша работа теперь показывает, что вербальные инструкции приводят к очень похожим структурированным нейронным представлениям по сравнению с теми, которые возникают в результате экспериментального обучения».
Исследователи отмечают, что ни одно из этих открытий не было бы возможно без сотрудничества и добровольного участия пациентов, страдающих лекарственно-устойчивой эпилепсией и находившихся в больнице после операции.
Электроды для сбора нейронных данных были временно имплантированы врачами пациентов с единственной целью — определить источник приступов каждого человека. Конечная цель — использовать эту информацию для дальнейшего хирургического или нейромодуляционного лечения.
Доктор Рутисхаузер сказал: «Эти люди дали нам драгоценную возможность узнать что-то новое о том, как работает наш мозг».
Доктор Мерав Сабри (Merav Sabri), заключает: «Это исследование даёт новое представление о том, как наш мозг позволяет нам гибко учиться и выполнять задачи, реагируя на меняющиеся условия и опыт. Эти идеи основаны на совокупности знаний, которые однажды могут привести нас к методам лечения неврологических и психиатрических заболеваний, которые связаны с дефицитом памяти и принятия решений».
Литература
“Abstract representations emerge in human hippocampal neurons during inference” by Ueli Rutishauser et al. Nature
