Po rozptýlení mohou rotující mozkové vlny pomoci myšlenkám vrátit se k úkolu

Stejně jako je mozek náchylný k rozptýlení, může se také soustředit na daný úkol. Nová studie na zvířatech, kterou provedli vědci z Picowerova institutu pro učení a paměť MIT, ukazuje, jak se to zdánlivě děje: Koordinovaná neurální aktivita ve formě rotujících mozkových vln vrací myšlení zpět na správnou cestu.

„Rotující vlny fungují jako pastevci, kteří nasměrují kůru zpět na správnou výpočetní cestu,“ řekl hlavní autor studie Earl K. Miller, profesor Picower v Picower Institute a oddělení mozkových a kognitivních věd MIT.

Postdoc Picower Institute Tamal Batabyal je hlavním autorem studie zveřejněno v Journal of Cognitive Neuroscience.

Matematické „rotace“…

Ve studii byla zvířatům poskytnuta vizuální práce paměťový úkolale někdy zažili jeden ze dvou různých druhů rozptýlení, když se snažili zapamatovat si předmět, který viděli. Jak by se dalo očekávat, rozptýlení ovlivnilo výkon zvířat při plnění úkolu – někdy způsobilo, že dělala chyby nebo alespoň zpomalila jejich reakční doba když je úkol vyzval k jednání. Výzkumníci mezitím sledovali elektrickou aktivitu vzorku stovek neuronů v prefrontální kůraoblast mozku zodpovědná za poznání vyšší úrovně.

Chcete-li analyzovat, jak nervová aktivita se měnily, jak zvířata prováděla úkol během stovek sezení – s nebo bez některého z rozptýlení a v případech, kdy zvířata fungovala dobře nebo ne tak dobře – výzkumníci použili matematické měření a vizualizaci, která měří jejich stupeň koordinace v průběhu času, nazývaná „kódování podprostoru“. Subprostorové kódování ukazuje, že aktivita korových neuronů je vysoce koordinovaná.

„Jako špačci mumlající na obloze,“ řekl Miller.

Po rozptýlenídošlo k rotujícímu pohybu v subprostoru, jako by „ptáci“ po narušení jejich formace opět kroužili spolu. Jinými slovy, řekl Miller, kroužení jako by představovalo obnovení jejich stavu aktivity z rozptýlení.

Rotace skutečně předpovídaly výkon zvířete při plnění úkolu. V případech, kdy rozptýlení nezpůsobilo chybu, neurální data ukazovala úplný kruh, což znamená, že zotavení bylo dokončeno. V případech, kdy rozptýlení způsobilo, že zvířata chybovala, trajektorie nedosáhla úplného kruhu (v průměru o 30 stupňů). Trajektorie během chybných relací vykazovala nižší rychlost, což by mohlo vysvětlit nedostatek zotavení z rozptýlení.

Souvisejícím zjištěním bylo, že zvířata se lépe zotavovala, pokud byla doba mezi rozptýlením a potřebou jednat delší. Data ukázala, že mozek potřeboval tento čas, aby matematicky dokončil kruh a vrátil se do správného chování.

Data kódování podprostoru naznačovala, že neurony pracují vysoce koordinovaným způsobem a že tato rotační organizace pomáhá udržovat jejich zaměření. Pozoruhodné je, že k rotaci docházelo pouze v případě, že došlo k rozptýlení (oba styly je spustily), které se zvířata snažila ignorovat. Rotace neproběhly spontánně.

…Odrážejí fyzické rotace

Kódování podprostoru je pouze abstraktní matematické znázornění neurální aktivity v čase. Ale když se vědci podívali na přímá fyzická měření nervové aktivity, zjistili, že ve skutečnosti odráží skutečnou, putující vlnu rotující přes kůru.

Několikanásobná měření ukázala, že aktivita neurálních špiček měla prostorový řád s neustále se měnícími úhly, v souladu s vlnou aktivity rotující přes kortikální elektrodu. Ve skutečnosti se skutečná vlna otáčela stejnou rychlostí jako ta matematicky reprezentovaná v kódování podprostoru.

„V zásadě neexistuje žádný důvod, proč by rotace v tomto matematickém podprostoru měla přímo odpovídat rotaci na povrchu kůry,“ řekl Miller.

„Ale ano. To mi naznačuje, že mozek používá tyto putující vlny k tomu, aby skutečně prováděl výpočty, analogové výpočty. Analogové výpočty jsou mnohem energeticky účinnější než digitální a biologie upřednostňuje energeticky účinná řešení. Je to jiný a přirozenější způsob, jak přemýšlet o neurálních výpočtech.“

Kromě Millera a Batabyala jsou dalšími autory listu Scott Brincat, Jacob Donoghue, Mikael Lundqvist a Meredith Mahnke.