Mozak koristi prostor za organizaciju misli

Naše misli su određene našim znanjem i planovima, no naša spoznaja može biti brza i fleksibilna u rukovanju novim informacijama. Kako dobro kontrolirana, a opet vrlo agilna priroda spoznaje proizlazi iz anatomije mozga od milijardi neurona i krugova?

Studija istraživača s Picower instituta za učenje i pamćenje na američkom tehnološkom institutu MIT, pruža nove dokaze iz testova na životinjama da bi se odgovor mogao pronaći unutar teorije nazvane "prostorno računanje".

Teoriju prostornog računanja, koju su 2023. godine prvi put predložili profesor Earl K. Miller s Picowera i kolege Mikael Lundqvist i Pawel Herman, objasnili su kako se neuroni u prefrontalnom korteksu mogu u hodu organizirati u funkcionalnu skupinu sposobnu za obavljanje obrade informacija potrebne za kognitivni zadatak. Štoviše, omogućuje neuronima sudjelovanje u više takvih skupina, budući da su godine eksperimenata pokazale da mnogi prefrontalni neuroni doista mogu sudjelovati u više zadataka odjednom.

Osnovna ideja teorije je da mozak u hodu regrutira i organizira "radne skupine" neurona koristeći moždane valove "alfa" i "beta" frekvencije (oko 10-30 Hz) za primjenu kontrolnih signala na fizičke dijelove prefrontalnog korteksa. Umjesto da se moraju preprogramirati u nove fizičke krugove svaki put kada se mora obaviti novi zadatak, neuroni u tom dijelu obrađuju informacije slijedeći obrasce uzbuđenja i inhibicije koje nameću valovi.

U studiji objavljenoj u časopisu Current Biology, glavni autor Zhen Chen i drugi članovi Millerovog laboratorija testirali su prostorno računanje ispitujući jesu li pet predviđanja o neuronskoj aktivnosti i obrascima moždanih valova zapravo vidljiva u mjerenjima provedenim u prefrontalnom korteksu životinja dok su se bavile dvama zadacima radne memorije i jednom zadacima kategorizacije.

U svim zadacima postojali su različiti dijelovi senzornih informacija za obradu (npr. „Na zaslonu se pojavio plavi kvadrat nakon kojeg slijedi zeleni trokut“) i pravila kojih se trebalo pridržavati (npr. „Kada se na zaslonu pojave novi oblici, odgovaraju li oblicima koje sam prije vidio i pojavljuju li se istim redoslijedom?“).

Prva dva predviđanja bila su da bi alfa i beta valovi trebali predstavljati kontrole i pravila zadataka, dok bi aktivnost neurona trebala predstavljati senzorne ulaze. Kada su istraživači analizirali očitanja moždanih valova i šiljaka prikupljena s četiri niza elektroda ugrađenih u korteks, otkrili su da su ta predviđanja doista bila točna. Neuralni šiljci, ali ne i alfa/beta valovi, nosili su senzorne informacije. Iako su i šiljci i alfa/beta valovi nosili informacije o zadatku, najjači su bili u valovima, a vrhunac je bio u vremenima relevantnim za vrijeme kada su bila potrebna pravila za izvršavanje zadataka.

Značajno je da su u zadatku kategorizacije istraživači namjerno mijenjali razinu apstrakcije kako bi kategorizaciju učinili kognitivno manje teškom. Istraživači su primijetili da što je veća težina, to je jača snaga alfa/beta valova, što dodatno pokazuje da nosi pravila zadatka.

Sljedeća dva predviđanja bila su da će alfa/beta biti prostorno organizirani i da će, kada i gdje je jak, senzorne informacije predstavljene šiljcima biti potisnute, ali gdje i kada je slab, šiljci će se povećati. Ova predviđanja su se također pokazala istinitima u podacima. Pod elektrodama, Chen, Miller i tim mogli su vidjeti različite prostorne obrasce veće ili niže snage valova, a tamo gdje je snaga bila visoka, senzorne informacije u šiljcima bile su niske i obrnuto.

Konačno, ako je prostorno računanje valjano, tada bi se snaga i vrijeme alfa/beta vrijednosti, u svakom pokušaju trebali točno podudarati s performansama životinja. Doista, postojale su značajne razlike u signalima u pokušajima gdje su životinje ispravno izvršavale zadatke u odnosu na one kada su pogriješile. Mjerenja su posebno predvidjela pogreške zbog pogrešnih pravila zadatka u odnosu na senzorne informacije. Na primjer, odstupanja alfa/beta vrijednosti odnosila su se na redoslijed pojavljivanja podražaja (prvo kvadrat, a zatim trokut), a ne na identitet pojedinačnih podražaja (kvadrat ili trokut).

Provođenjem ove studije na životinjama, istraživači su mogli izvršiti izravna mjerenja pojedinačnih neuronskih šiljaka kao i moždanih valova, a u radu napominju da i druge studije na ljudima izvještavaju o sličnim nalazima. Na primjer, studije koje koriste neinvazivna očitanja EEG-a i MEG-a moždanih valova pokazuju da ljudi koriste alfa oscilacije za inhibiranje aktivnosti u područjima koja nisu relevantna za zadatak pod kontrolom odozgo prema dolje, te da se čini da alfa oscilacije upravljaju aktivnostima povezanim sa zadatkom u prefrontalnom korteksu.

Iako Miller kaže kako smatra rezultate nove studije i njihov presjek s ljudskim studijama ohrabrujućima, priznaje da je potrebno više dokaza. Primjerice, njegov laboratorij pokazao je da moždani valovi obično nisu mirni (poput užeta za preskakanje), već putuju kroz područja mozga. Po njemu bi prostorno računanje trebalo i to uzeti u obzir.