Что такое мышление? И как оно зарождается?

Исследователи Медицинского центра Ратгерса картировали нейронные связи головного мозга 960 добровольцев в режиме реального времени. Эта карта показала, как быстрые и медленные нейронные процессы объединяются для создания сложного поведения. Ученые обнаружили, что внутренние нейронные временные масштабы, временные окна обработки информации для каждого участка мозга, напрямую формируются путями белого вещества. И само белое вещество распределяет сигналы по всему мозгу. У людей с более полной синхронизацией между нейронными связями и синхронизацией локальной обработкой сигналов, мышление было более здравым и целостным.

Любопытно то, что паттерны быстрой и медленной работы разных участков мозга, а также способность этих участков к интеграции, обусловлены генетическими и молекулярными особенностями каждого человека. Причем точно такая же картина характерна и для мышей. А значит, открытый механизм фундаментален. Он объясняет нейробиологическую основу полученных результатов. А сами результаты выявили механистическую связь между архитектурой мозга, скоростью обработки информации и когнитивными способностями.

Исследование-первоисточник. Открытый доступ

Определение внутренних временных масштабов нейронной сети с использованием теории оптимального управления.

Автор: Линден Паркс

Внутренние временные масштабы. Каждый участок мозга обрабатывает информацию в течение собственного характерного временного окна. А в обработку включены как быстрые сенсорные сигналы, так и медленные интегративные паттерны сигналов.

Интеграция связей. Сети белого вещества соединяют эти разные участки мозга, позволяя быстрым и медленным сигналам интегрироваться и выстраивать согласованное поведение.

Индивидуальные различия. Люди, чья нейронная сеть лучше поддерживает коммуникацию в разных временных масштабах, обладают более высокими когнитивными показателями.

Источник: Ратгерский университет

Человеческий мозг постоянно обрабатывает, интерпретирует и реагирует на информацию, которая поступает с разной скоростью. К этому относятся как мгновенные реакции на внезапные изменения окружающей среды, так и более медленные, рефлексивные процессы, к которым относится понимание контекста или смысла.

Новое исследование, проведенное в Медицинском центре Ратгерса и опубликованное в журнале Nature Communications, проливает свет на то, как мозг интегрирует эти быстрые и медленные сигналы в сложной сети связей белого вещества для реализации как когнитивного потенциала, так и поведенческих маркеров.

Различные области мозга специализируются на обработке информации в течение определенных временных интервалов. Это свойство называют «внутренние нейронные временные масштабы», или сокращенно INT.

Это исследование напрямую соотносится с другим научным материалом, про топологические изменения в мозге, на протяжении жизни человека. Его перевод доступен в статье: «пять жизней мозга». По сути, именно синхронизация и целостность связей между участками мозга напрямую определяют «возрастные периоды» нашей жизни. И как именно возникает, развивается, замирает и угасает мышление.

Чтобы исследовать, как работает синхронизация в мозге, Линден Паркс и его команда проанализировали мультимодальные данные нейровизуализации 960 человек. Ученые создали подробные карты связности головного мозга каждого человека, известные как коннектомы, и применили математические модели, описывающие, как сложные системы изменяются со временем. Этот акт чистого датаизма помог понять, как информация передается по сетям в мозге.

Исследователи из Ратгерского университета обнаружили, что распределение и синхронизация нейронных временных масштабов по коре головного мозга играет решающую роль в том, насколько эффективно мозг работает с крупномасштабными паттернами активности, связанными с поведением – то есть реализует в своей основе процесс «мышления». Важно также отметить, что эта организация различается у разных людей.

Исследователи также обнаружили, что эти закономерности связаны с генетическими, молекулярными и клеточными особенностями областей мозга. И все перечисленные факторы подтверждаются вскрывшимися фундаментальными нейробиологическими данными.

Аналогичные взаимосвязи наблюдались и в мозге мышей, что позволяет предположить, что эти механизмы характерны для разных видов.

По сути, речь идет о фундаментальных корреляциях и даже каузациях между целостностью белого вещества головного мозга и его локальными вычислительными свойствами. Люди, у которых структура головного мозга способствует синхронизации разных участков, эффективнее обрабатывают быструю и медленную информацию. И, как правило, демонстрируют более высокие когнитивные способности.

Основываясь на этих результатах, команда расширяет работу, изучая нейропсихиатрические состояния, включая шизофрению, биполярное расстройство и депрессию, исследуя, как нарушения связности головного мозга могут изменять обработку информации.

Исследование проводилось в сотрудничестве с Аврамом Холмсом, доцентом кафедры психиатрии и ключевым сотрудником Института здоровья мозга Ратгерского университета и Центра передовых исследований в области визуализации человеческого мозга. А также с постдокторантами Ахмадом Беем и Эмбер Хауэлл, а также Джейсоном З. Кимом из Корнельского университета.

В: Как мозг обрабатывает информацию, которая поступает с разной скоростью?

О: Разные участки мозга функционируют в рамках собственных нейронных временных масштабов, обрабатывая быструю или медленную информацию в зависимости от своей специализации.

В: Что исследователи обнаружили в этих временных масштабах и когнитивных процессах?

О: У людей, чья структура белого вещества хорошо согласуется с требованиями к обработке информации от быстрой к медленной, наблюдается более эффективное переключение состояний мозга и более высокие когнитивные показатели.

В: Почему это исследование важно для понимания заболеваний головного мозга?

О: Нарушения в связности или организации временных масштабов могут изменять поток информации, что открывает возможности для изучения таких состояний, как шизофрения, биполярное расстройство и депрессия.

Больше материалов про исследование мышления, про работу с депрессивными и тревожными состояниями, обзор доступных инструментов и интеграцию мозга с технологиями – вы найдете в сообществе Neural Hack. Заглядывайте, чтобы держать под рукой полезный контент!