Рабочая память – это своего рода "мысленный блокнот" это позволяет вам выполнять повседневные задачи, такие как вызов еды на вынос вашей голодной семьи и поиск туалета, о которой вам только что сказали "будет третьей дверью справа после того, как вы пойдете прямо по коридору и сделаете первый левый." Это также позволяет вашему разуму перейти от простого реагирования на окружающую среду к сознательному утверждению своей повестки дня.
"Рабочая память позволяет вам выбирать, на что обращать внимание, выбирать, о чем вы думаете, и выбирать, когда принимать решения и действовать," говорит Эрл К. Миллер, профессор Пикауэра в Институте обучения и памяти Пикауэра при Массачусетском технологическом институте и на кафедре мозга и когнитивных наук. "Все дело в том, чтобы перехватить контроль над окружающей средой самому себе. Когда у вас появляется что-то вроде рабочей памяти, вы превращаетесь из простого существа, подверженного влиянию окружающей среды, в существо, способное управлять окружающей средой."
В течение многих лет Миллер интересовался, как на самом деле работает рабочая память – особенно ее волевой контроль. В новом исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, под руководством постдока Института Пикауэра Андре Бастоса, лаборатория Миллера показывает, что лежащий в основе механизм зависит от различных частот мозговых ритмов, синхронизирующих нейроны в различных слоях префронтальной коры (PFC), области мозга, связанного с более высокой когнитивной функцией. Поскольку животные выполняли различные задачи рабочей памяти, более высокочастотные гамма-ритмы в поверхностных слоях ПФК регулировались низкочастотными альфа / бета-частотными ритмами в более глубоких корковых слоях.
Полученные данные предполагают не только общую модель рабочей памяти и волю, которая делает ее особенной, но и новые способы, которыми клиницисты могут исследовать такие состояния, как шизофрения, при которых функция рабочей памяти кажется нарушенной.
Слои волн
Для проведения исследования Бастос работал с несколькими линиями доказательств и с некоторыми относительно новыми технологиями. В прошлом году, например, соавтор и постдок Института Пикауэра Микаэль Лундквист провел исследование, показывающее, что гамма-волны усиливаются, когда сенсорные (нейробиологи называют это "вверх дном") информация загружалась и считывалась из рабочей памяти. В предыдущей работе Миллер, Бастос и их коллеги обнаружили, что альфа / бета-ритмы, по-видимому, несут "сверху вниз" информация о целях и планах в коре головного мозга. По словам Миллера, информация сверху вниз – это то, что мы используем для принятия волевых решений о том, о чем думать или как действовать.
В текущем исследовании были использованы недавно улучшенные сенсоры головного мозга с многослойными электродами, которые несколько групп применяли в когнитивных, а не сенсорных областях коры головного мозга. Бастос понял, что если он проведет эти измерения, он и Миллер смогут определить, могут ли глубокая альфа / бета и поверхностная гамма взаимодействовать для произвольного управления рабочей памятью.
В лаборатории Бастос и его соавторы, включая аспирантов Романа Луниса и Саймона Корнблита, провели многослойные измерения в шести областях ПФК, когда животные выполняли три различных задания на рабочую память.
В разных задачах животные должны были удерживать картинку в рабочей памяти, чтобы впоследствии выбрать картинку, которая ей соответствовала. В другом типе задач животные должны были запомнить местоположение на экране кратко мигающей точки. В целом, в задачах испытуемым предлагалось сохранить, обработать, а затем исключить из рабочей памяти появление или расположение зрительных стимулов.
"Объединение данных по задачам и областям приводит к дополнительному значению доказательств," Бастос говорит.
Механизм рабочей памяти
По всем областям PFC и всем задачам данные показали одно и то же: когда сенсорная информация загружалась в рабочую память, гамма-ритмы в поверхностных слоях увеличивались, а альфа / бета-ритмы в глубоких слоях, несущих нисходящую информацию сверху вниз, уменьшались. И наоборот, когда альфа / бета-ритмы глубокого слоя увеличиваются, гамма поверхностного слоя уменьшается. Последующий статистический анализ показал, что гамма контролировалась альфа- и бета-ритмами, а не наоборот.
"Это предполагает механизмы, с помощью которых нисходящая информация, необходимая для волевого управления, переносимая альфа / бета-ритмами, может включать и выключать сборщик восходящей сенсорной информации, переносимой гаммой, которая достигает рабочей памяти и сохраняется в памяти," Миллер говорит.
Получив эти идеи, команда с тех пор работала над непосредственным тестированием этой многоуровневой многочастотной модели динамики рабочей памяти более подробно, и результаты были опубликованы в прессе, но еще не опубликованы.
Чарльз Шредер, научный сотрудник и руководитель отдела Центра биомедицинской визуализации и нейромодуляции в Nathan S. Институт психиатрических исследований Клайна описывает два вклада исследования как эмпирически важные.
"Во-первых, в статье ясно показано, что в основе критических когнитивных операций (в данном случае рабочей памяти) лежат периодические (осцилляторные) паттерны сетевой активности в головном мозге, и что их необходимо решать с помощью анализа единственной пробной попытки," Шредер говорит. "Это обеспечивает важную концептуальную альтернативу идее о том, что рабочая память должна включать непрерывную нейронную активацию. Во-вторых, полученные данные сильно подтверждают представление о том, что динамическая связь между высокочастотными и низкочастотными диапазонами выполняет четкую механистическую функцию: низкочастотная активность, доминирующая в нижних слоях префронтальной сети, контролирует временную структуру представления высокочастотной информации в поверхностных слоях. слои одной сети областей. Важное концептуальное нововведение в этом случае заключается в том, что операции управления с более низкой частотой могут воздействовать непосредственно на представление информации с более высокой частотой в каждой области коры."
Бастос говорит, что модель может быть полезна для генерации гипотез о клиническом дефиците рабочей памяти. Например, аберрации глубинных бета-ритмов могут привести к снижению способности контролировать рабочую память для целенаправленных действий. "В модели шизофрении или у пациентов с шизофренией теряется взаимодействие между бета и гамма??" он спрашивает.