Механизм восстановления фокуса внимания. Аналоговая вычислительная система наших нейронов

Когда внимание мозга отвлекается от основной работы, скоординированные циклические волны нейронной активности помогают заново сфокусироваться. Отследив электрические импульсы, ученые обнаружили, что нейроны префронтальной коры синхронизируются круговыми паттернами, что подобно координации птиц в стае. И такая координация помогает удерживать фокус на актуальной задаче.

Производительность оставалась высокой до тех пор, пока мозг поддерживал циклы. Как только цикличность нарушалась, производительность падала и следом сыпались ошибки. Результаты показывают, что мозг использует этот энергоэффективный бег волн как естественную аналоговую вычислительную систему для восстановления концентрации после сбоев.

Ключевые факты исследования

Циклическое восстановление: циклические нейронные волны в префронтальной коре помогают мозгу восстановить концентрацию после отвлечения.

Предсказательная сила: полные замкнутые циклы коррелировали с правильным выполнением задания. Незамкнутые циклы возникали перед ошибками.

Аналоговая эффективность: исследование предполагает, что мозг использует бегущие волны аналогового типа для эффективности своей работы.

Работа мозга, помогающая удержать внимание

Новое исследование на животных, проведенное учеными из Института Пикауэра по изучению обучения и памяти Массачусетского технологического института, пролило свет на скоординированную нейронную активность. Проще всего объяснить её как циклическую мозговую волну, что возвращает мысли в нужное русло.

Циклические волны словно пастухи – возвращают кору головного мозга на правильный путь вычислений.
Старший автор исследования Эрл К. Миллер, профессор Пикауэра в Институте Пикауэра и на кафедре мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института.

Циклы поддержки

В ходе исследования животным давали задания, активирующие зрительную рабочую память. Но также в процедуру включали отвлекающие факторы. Создавая ситуацию, в которой животное пыталось вспомнить увиденный ранее объект.

Как и следовало ожидать, отвлекающие факторы влияли на эффективность выполнения животными заданий. Провоцируя их совершать ошибки или, по крайней мере, замедляя время реакции, когда задание требовало конкретных действий.

Тем временем исследователи отслеживали электрическую активность сотен нейронов префронтальной коры — области мозга, отвечающей за когнитивные функции высшего уровня.

Математическая координация мозга

Чтобы проанализировать, как менялась нейронная активность по мере выполнения животными задания на протяжении сотен сеансов, с отвлекающими факторами или без них, а также в случаях, когда животные справлялись хорошо или не очень, исследователи использовали математический метод и визуализацию, измеряющие степень координации участков мозга с течением времени. Это состояние получило название «подпространственное кодирование». И это подпространственное кодирование показывает, что активность нейронов коры головного мозга высоко скоординирована.

Ремарка в сторону. Эта координация, отвечающая за работу мозга, касается нейронов. Но когда речь идет о нас, людях, то для нас действуют схожие паттерны синхронизации. Которые работают – через гормоны. Эта концепция известна как гормонально-пептидная теория социальных связей.

После отвлечения наблюдалась циклическая активность в подпространстве, как будто «птицы пересобрались в стаю» после нарушения строя. Другими словами, как утверждают исследователи, эта цикличность поддерживает восстановление активности после отвлечения.

Действительно, характер цикличности предсказывал эффективность выполнения задания животным. В случаях, когда отвлечение не приводило к ошибке, сигнатура нейронной активности оставалась цикличной и устойчивой. Что указывало на полное восстановление фокуса внимания при необходимости.

В случаях, когда отвлекающие факторы приводили к ошибкам у животных, траектория не достигала полного круга, в среднем распадаясь после 30 градусов. Во время сеансов с отклонениями траектория цикла двигалась медленнее, что объясняет отсутствие восстановления фокуса внимания после отвлечения.

Связанное с этим открытие показало, что животные лучше восстанавливали фокус внимания, если время для отвлечения внимания совпадало с цикличностью активности нейронов. То есть, когда волна активности совершала полный цикл, и заново включала мозг в работу.

Интересно и то, что подобные паттерны характерны для мозга человека во сне. Тот же гормон роста будет синтезироваться достаточно эффективно, если соблюдаются условия по синхронизации нескольких параметров, заданных в свою очередь мелатонином.

Синхронизация и реакция на окружающий мир

Данные подпространственного кодирования свидетельствуют о высокой степени координации работы нейронов. Более того, когда животное старалось игнорировать раздражитель, то сама волна активности меняла свое направление.

Подпространственное кодирование — это всего лишь абстрактное математическое представление нейронной активности во времени. Но когда исследователи обратились к прямым измерениям нейронной активности, они обнаружили, что паттерн активности нейронов повторяет картину этих волн.

Нет никаких принципиальных причин, из-за которых выведенная нами цикличность должна напрямую соответствовать циклам активности нейронов в коре головного мозга. Но это происходит. И наводит меня на мысль, что мозг использует эти бегущие волны для реальных вычислений, аналоговых вычислений. Аналоговые вычисления, когда речь идет о мозге, более энергоэффективны. А биология отдаёт предпочтение энергоэффективным решениям. Это другой, более естественный способ представления нейронных вычислений.
Старший автор исследования Эрл К. Миллер, профессор Пикауэра в Институте Пикауэра и на кафедре мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института.

Какой вывод из этого можно сделать? Наше поведение – результат невероятной синхронизации внутренних систем организма. Как и наша жизнь, результат синхронизации прожитого опыта с целями в будущем. И насколько эта синхронизация эффективна, настолько мы успешны, счастливы, заряжены в своей жизни.

Как свести эти факторы воедино – разбираем в материалах сообщества Neural Hack. Заглядывайте. Чтобы держать под рукой ключи допуска к лучшей версии себя!

Источник: habr.com