Η θεωρία του χωρικού υπολογισμού εξηγεί την οργάνωση της σκέψης στον εγκέφαλο
Η σκέψη μας καθορίζεται από τις γνώσεις και τα σχέδιά μας, ωστόσο η γνωστική διαδικασία μπορεί να είναι γρήγορη και ευέλικτη όταν πρόκειται για την επεξεργασία νέων πληροφοριών. Πώς προκύπτει αυτή η καλοσχεδιασμένη αλλά και ταυτόχρονα ευέλικτη φύση της σκέψης από την ανατομία του εγκεφάλου, που περιλαμβάνει δισεκατομμύρια νευρώνες και κυκλώματα; Μια νέα μελέτη από ερευνητές του Ινστιτούτου Picower για τη Μάθηση και τη Μνήμη του MIT προσφέρει νέα στοιχεία που υποδεικνύουν ότι η απάντηση μπορεί να βρίσκεται σε μια θεωρία που ονομάζεται “Χωρικός Υπολογισμός”.
Η θεωρία του χωρικού υπολογισμού
Η θεωρία του χωρικού υπολογισμού, που προτάθηκε το 2023 από τον καθηγητή Earl K. Miller και τους συνεργάτες του, Mikael Lundqvist και Pawel Herman, εξηγεί πώς οι νευρώνες στον προμετωπιαίο φλοιό μπορούν να οργανώνονται αυθόρμητα σε λειτουργικές ομάδες ικανές να εκτελούν την απαιτούμενη επεξεργασία πληροφοριών για μια γνωστική εργασία. Επιπλέον, επιτρέπει στους νευρώνες να συμμετέχουν σε πολλές τέτοιες ομάδες, καθώς έχει αποδειχθεί ότι πολλοί νευρώνες του προμετωπιαίου φλοιού μπορούν να συμμετέχουν σε πολλές εργασίες ταυτόχρονα. Η βασική ιδέα της θεωρίας είναι ότι ο εγκέφαλος συγκροτεί και οργανώνει ad hoc “ομάδες εργασίας” νευρώνων χρησιμοποιώντας εγκεφαλικά κύματα συχνότητας “άλφα” και “βήτα” (περίπου 10-30 Hz) για να εφαρμόσει σήματα ελέγχου σε φυσικές περιοχές του προμετωπιαίου φλοιού.
Πώς λειτουργεί η θεωρία
Σκεφτείτε τα κύματα συχνότητας άλφα και βήτα ως στένσιλ που καθορίζει πότε και πού στον προμετωπιαίο φλοιό οι ομάδες νευρώνων μπορούν να λαμβάνουν ή να εκφράζουν πληροφορίες από τις αισθήσεις, όπως εξηγεί ο Miller. Με αυτόν τον τρόπο, τα κύματα αντιπροσωπεύουν τους κανόνες της εργασίας και μπορούν να οργανώσουν το πώς οι νευρώνες “εκρήγνυνται” ηλεκτρικά για να επεξεργαστούν το περιεχόμενο πληροφοριών που απαιτείται για την εργασία.
«Η γνωστική διαδικασία αφορά την αυτοοργάνωση μεγάλων νευρωνικών δικτύων», δήλωσε ο Miller, κύριος συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύθηκε στο Current Biology και μέλος της Σχολής Επιστημών Εγκεφάλου και Γνωστικών Επιστημών του MIT. «Ο Χωρικός Υπολογισμός εξηγεί πώς ο εγκέφαλος το επιτυγχάνει αυτό». Έτσι, η θεωρία δεν είναι απλώς μια ιδέα, αλλά έχει δοκιμαστεί σε πειράματα που εξετάζουν αν πέντε προβλέψεις της σχετικά με τη νευρωνική δραστηριότητα και τα πρότυπα εγκεφαλικών κυμάτων είναι πράγματι εμφανείς στις μετρήσεις που έγιναν στον προμετωπιαίο φλοιό ζώων κατά την εκτέλεση εργασιών μνήμης και κατηγοριοποίησης.
Οι πρώτες δύο προβλέψεις ήταν ότι τα κύματα άλφα και βήτα θα πρέπει να αντιπροσωπεύουν τους ελέγχους και τους κανόνες της εργασίας, ενώ η δραστηριότητα των νευρώνων θα πρέπει να εκπροσωπεί τις αισθητηριακές εισροές. Όταν οι ερευνητές ανέλυσαν τα εγκεφαλικά κύματα και τις μετρήσεις δραστηριότητας των νευρώνων, διαπίστωσαν ότι αυτές οι προβλέψεις ήταν αληθείς. Οι νευρωνικές εκρήξεις, αλλά όχι τα κύματα άλφα/βήτα, μετέφεραν πληροφορίες από τις αισθήσεις. Ενώ και οι δύο, οι εκρήξεις και τα κύματα άλφα/βήτα, μετέφεραν πληροφορίες για την εργασία, η ισχύς των κυμάτων ήταν μεγαλύτερη και κορυφωνόταν σε στιγμές που ήταν κρίσιμες για την εκτέλεση των κανόνων της εργασίας.
Σημαντικά, στην εργασία κατηγοριοποίησης, οι ερευνητές ποικίλλανε σκόπιμα το επίπεδο αφαίρεσης για να κάνουν την κατηγοριοποίηση πιο ή λιγότερο γνωστικά δύσκολη. Παρατήρησαν ότι όσο μεγαλύτερη ήταν η δυσκολία, τόσο ισχυρότερη ήταν η ισχύς των κυμάτων άλφα/βήτα, αποδεικνύοντας περαιτέρω ότι μεταφέρουν τους κανόνες της εργασίας.
Οι επόμενες δύο προβλέψεις ήταν ότι τα κύματα άλφα/βήτα θα έπρεπε να είναι χωρικά οργανωμένα και ότι όταν και όπου ήταν ισχυρά, οι πληροφορίες που εκπροσωπούνταν από τις εκρήξεις θα καταστέλλονται, ενώ όπου και όταν ήταν αδύναμα, οι εκρήξεις θα αυξάνονταν. Αυτές οι προβλέψεις αποδείχθηκαν επίσης αληθείς στα δεδομένα. Κάτω από τους ηλεκτρονικούς αισθητήρες, οι ερευνητές παρατήρησαν διακριτά χωρικά πρότυπα υψηλότερης δραστηριότητας.
